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Abstimmbares Filter für sehr kurze elektromagnetische Wellen, das
mittels der magnetokristallinen Anisotropieeigenschaften abstimmbar ist Die Erfindung
betrifft ein abstimmbares Filter für das Mikrowellengebiet, bei dem im Zuge einer
der Übertragung elektromagnetischer Energie dienenden Leitung wenigstens ein unter
dem Einfluß eines magnetischen Gleichfeldes stehender Ferrit-Einikristall angeordnet
ist.
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Im Mikrowe.Ilenbereich- sind die. verschiedensten Anordnungen- von
Resonanzkreisen und Filtern bekannt. Darunter sind solche, bei denen die Eigenschafteii
der ferromagnetischen Resonanz sogenannter ferrimagnetischer Kristalle ausgenutzt
werden. Bei derartigen. Anordnungen wird in der Regel ein ferrimagnetischer Kristall
beispielsweise im Zuge eines Holilleiters vorgesehen. Für die Wirkungsweise ist
es hierbei erforderlich, den Kristall einem magnetischen Gleichfeld auszusetzen,
das durch Permanentmagneten oder Elektr.omägneten erzeugt wird. ,
Wird zur
Erzeugung des Magnetfeldes ein Elektromagnet benutzt, so kann dieses durch Veränderung
des Spulenstromes variiert werden. Bei technischen Anwendungen wird man jedoch einen
Permanentmagneten bevorzugen, dä dieser kleiner und leichter ist und zum Betrieb
keine elektrische Leistung benötigt. Das Feld von Permanentniagneten kann mit Hilfe
von zusätzlichen Spulen oder durch magnetische Nebenschlüsse abgestimmt werden.
- Außer dem Aufwand an Material und Gewicht kommt im ersten Fall die stabilisierte
elektrische Stromversorgung hinzu, und im zweiten Fall ist die präzise Verschiebung
relativ großer Massen notwendig.
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Der -Erfindung liegt die, Aufgabe zugrunde', eine Anordnung zu finden,
bei der die -vorzugsweise schmalbändige Abstimmung von Mikrowellenresona# toren
ohne die -mit großem Aufwand verbundene Veränderung des Magnetfeldes erfolgt.
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-Die Aufgabe, einen abstimmbaren Resonator für das MikrowellengQbiet,
bei dem im Zuge einer der Übertragung elektromagnetischer Energie dienenden Leitung
wenigstens ein unter dem Einfluß eines magnetischen Gleichfeldes stehender Ferrit-Einkristall
angeordnet ist, wird erfindunggemäß dadurch gelöst, daß das den Resonator durchsetzende
magnetische Gleichfeld einen konstanten Wert hat und daß zur Einstellung der Resonanzfrequenz
mit Hilfe der magnetokristallinen Anisotropieeigenschaften der Kristall in dem Gleichfeld
drehbar angeordnet ist sowie daß ein Ferrit-Einkristall aus Yttriumeisengranat (nachstehend
mit YIG bezeichnet) oder galliumsubstituierten Yttn*umeisengranat, bei dem der Eisenanteil
teilweise durch Gallium ersetzt ist, vorgesehen ist. Letzteres besitzt eine wesentlich
geringere Sättigungsmagnetisierung bei vergleichbarer oder größerer Anisotropiekonstante
1. OrdnunIg.
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Durch die. magnetokristalfine Anisötropie ist die Resonanzfrequenz
von ferrimagnetischen Einkristallen bei festem äußerem Magnetfeld, H, -von # der
Orientierung des Kristalls abhängig. Die Zusammenhänge bei der ferromagnetischen
Resonanz in Anisotropeneinkristall ' e sind,lunter- anderem von C.Kittel,
»On the Theory of Ferromagnetic Resongnce Absor-Ption«.-Phys. Rev., 73 (1948),
S. 155, und J. 0. Artmann, »Mierawave Resonance. Relations in Amsotropie
Single Crystal. Ferrites«, Proc. IRE, 44 (1956),
S. 1284, theoretisch
untersucht worden.
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YIG hat ein. kubisches Kristallgitter und eine nega--7 tive Anisotropiekonstante
1. Ordnung (die.- Anisotropiekonstante 2. Ordnung kann in guter Näherung
für diese.Betrachtungen vernachlässigt werdend..
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In kubischen Kristallen mit negativer AnisotropiekonstanteK1 ist die
kristallographische [1001-Richtung eine sogenannte schwere Richtung. Wenn das äußere
magnetische Gleichfeld in dieser Richtung anliegt, benötigt man bei fester Frequenz
die größte Feldstärke zur Resonanz. Andererseits tritt bei vorgegebenem Magnetfeld
die Resonanz bei der niedrigsten Frequenz auf. Die [111]-Richtung ist eine, leichte
Richtung, und die [011]-Richtung ist eine mittelschwere Richtung. Die Lage dieser
einzelnen Achsen in der Elementarzelle des Kristalls ist in der. Fig.
1 dargestellt. Die ebenfalls in, dieser Figur eingezeichnete (011)-Ebene
enthält alle drei angegebenen Richtungen. Die Winkelverhältnisse in der (011)-Ebene
sind in der F i g. 2 dargestellt. Dia [1111-(leichte)-Richtung bildet mit
der schweren Richtung einen Winkel von 54144'.
Für Anwendungen,
bei denen ein Abstimmbereich von etwa 400 MHz ausreicht, kann ein Filter aus YIG-Resonatoren
durch Veränderung der kristallographischen Orientierung in bezug auf das Magnetfeld
abgestimmt werden.
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Erfindungsgemäß ist der Einkristall * kugelförmig ausgebildet
und so in eine Mikrowellenstruktur eingebaut, daß er vorzugsweise um die Normale
zur (011)-Kristallebene drehbar ist und daß das magnetische Gleichfeld stets in
der (011)i-jKristallebene liegt. Das magnetische HF-Feld soll senkrecht zu H, gerichtet
sein.
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Liegt H, in [111]-Richtung, dann besteht die Resonanzbedingung
Hierbei ist y = 17,6 NIII-1z/Oe das gyromagnetische Verhältnis, Ki
die Anisotropiekonstante 1. Ordnung und M, die Sättigungsmagnetisierung.
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Mit H" in schwerer Richtung ergibt sich:
für die [0111-Richtung erhält man:
Aus der Differenz der Resonanzfrequenzen in leichter und schwerer Richtung kann
der optimale Abstimmbereich eines YIG-Resonators bei festem Magnetfeld berechnet
werden.
Man erhält z. B. einen Abstimmbereich A 420 Wh.
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Dieser physikalische Effekt wird erfindungsgemäß vorteilhaft bei folgenden
abstimmbaren Filtern ausgenutzt* Ein Filter ist so aufgebaut, daß zwei aufeinander
senkrecht stehende, an einer Seite kurzgeschlossene Rechteckhohlleiter in dem beiden
Hohlleitern gemeinsamen Abschnitt der Kurzschlußwand eine Koppelöffnung aufweisen,
in der der ferrimagnetische Kristall drehbar angeordnet ist.
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Ein anderes Filter ist so konstruiert, daß in der Leitung in Fortpflanzungsrichtung
der elektromagnetischen Welle zwei kugelförmige ferrünagnetische Kristalle hintereinander
angeordnet sind und daß beide Kristalle vorzugsweise über einen gemeinsamen Antrieb
im Gleichlauf verstellbar sind.
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In ihm kann zwischen den drehbaren ferrimagnetischen Kristallen wenigstens
ein weiterer, fest eingestellter ferrimagnetischer Kristall angeordnet sein.
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Ein weiteres Filter ist so ausgebildet, daß in einem an einem Ende
kurzgeschlossenen Rechteckhohlleiter zwei kugelförmige ferrimagnetische Kristalle
mit um 901 versetzter schwerer und leichter Richtung drehbar auf einer gemeinsamen
Achse angeordnet sind.
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Zuletzt ist ein Filter so ausgeführt, daß in der gemeinsamen metallischen
Trennwand zweier zueinander parallellaufender Streifenleitungen ein Koppelschlitz
vorgesehen ist und daß zwischen den Innenleitern und dem Koppelschlitz vorzugsweise
kugelförmige ferrimagnetische Kristalle drehbar angeordnet sind und daß weiterhin
die Innenleiter an ,einer Seite mit den Außenleitern kurzgeschlossen sind, während
sie auf der anderen Seite in die Innenleiter koaxialer Zuführungsleitungen übergehen.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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In der F i g. 3 ist schematisch eine abstimmbare Bandsperre
dargestellt. In einem Durchgangshohlleiter 1 ist eine ferrimagnetische Kugel
2 aus Yttriumeisengranat drehbar angebracht. Die Kugel 2 ist auf einer aus einem
dielektrischen Material bestehenden Achse 3 beispielsweise durch Klebung
befestigt. Die Achse 3 ist in einer Buchse 4 gelagert und in Richtung des
Doppelpfeiles 5 über einen in der Zeichnung der besseren übersichtlichkeit
halber nicht näher dargestellten Antrieb drehbar. D#r Antrieb kann beispielsweise
aus einer Mikrometerschraube bestehen, wobei die Einstellung der Resonanzfrequenz
mittels einer Eichkurve erfolgt. Es kann auch eine direkt in Frequenz geeichte Skala
vorgesehen sein. Das durch den Pfeil 5 angedeutete magnetische Gleichfeld
H, kann durch einen hier nicht dargestellten Permanentmagneten erzeugt werden und
ist so zu wählen, daß in dem interessierenden Frequenzgebiet bei der vorgesehenen
Kristallorientierungsänderung ferromagnetische Resonanz auftritt. Für die betreffende
Frequenz wird der Hohlleiter gesperrt. Durch die räumliche Orientierung des Kristalls
auf der Achse 3 gegenüber dem Hohlleiter kann der Abstimmbereich in den gewünschten
Grenzen gewählt werden. Die ferromagnetische Resonanz wird nur durch den positiv
zirkular polarisierten Anteil einer Welle angeregt. Daher ist die Kugel an einem
Ort größter Zirkularpolarisation des magnetischen Hochfrequenzfeldes angeordnet,
um möglichst große Absorption zu erhalten. Zusätzlich erhält man dann die Eigenschaft
einer Richtungsleitung. Die Stärke der Ab-
sorption ist in gewissen Grenzen
von dem Volumen des Kristalls abhängig. Die Bandbreite ist durch die Halbwertsbreite
der ferromagnetischen Resonanzkurve und den Kopplungsgrad zwischen Kristall und
Hochfrequenzfeld gegeben. Bei festem Volumen ist die Absorption bei einem Material
mit kleiner Halbwertsbreitee größer als bei einem Material mit breiter Resonanzkurve.
Wenn die Sperrwirkung einer Kugel nicht ausreicht, können mehrere Kristalle hintereinandergeschaltet
werden. -
Der Aufbau eines Bandfilters ist in der F i g. 4 schematisch
dargestellt. Hierbei sind zwei Rechteckhohlleiter 7 und 8 derart miteinander
verbunden, daß ihre Mittelachsen zumindest näherungsweise fluchten und daß die Hohlleiterbreitseiten
aufeinander senkrecht stehen. Die Hohlleiter 7 und 8 sind
je-
weils an einem Ende mittels der Wände 9 und 10
kurzgeschlossen.
In dem beiden Hohlleitern gemeinsamen -Abschnitt der Kurzschlußwände 9. und
10 ist eine Koppelöffnung 11 vorgesehen, in der ein kugeliörmiger
Kristall 2 aus Yttriumeisengranat drehbar angeordnet ist. Die Kugel 2 ist an einer
aus einem dielektrischen Material bestehenden Achse befestigt, die lediglich durch
die strichpunktierte Linie 12 angedeutet ist und die in den durch den Doppelpfeil
5
gekennzeichneten Richtungen drehbar ist.
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Eine in Richtung des Pfeiles 13 im Hohlleiter 7
einfallende
elektromagnetische Welle wird ohne die
Wirkung der Kristallkugel
2 nicht in den Hohlleiter 8
übergekoppelt, da die beiden Hohlleiter wegen
der Orthogonalität der magnetischen Feldlinien am Ort der Koppelöffnung entkoppelt
sind. Nur wenn die Frequenz der sich im Hohlleiter 7 fortbewegenden Welle
mit der ferromagnetischen Resonanzfrequenz der Kristallkugel 2 übereinstimmt, erhält
man durch die Präzessionbewegung der Magnetisierung eine Verkoppelung der beiden
Leiter.
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In der F i g. 5 ist eine zweikreisige Bandsperre mit veränderbarer
Bandbreite schematisch dargestellt. In einem Durchgangshohlleiter 1 sind
vorzugsweise am Ort größter Zirkularpolarisation des magnetischen Hochfrequenzfeldes
zwei kugelförmige ferromagnetische Kristalle 2 und 2' drehbar angeordnet. Die Kugeln
2 und 2' sind an den Stirnseiten von Stäben aus dielektrischem Material aufgeklebt,
die lediglich durch die gestrichelt gezeichneten Linien 14 und 15
angedeutet
sind. An einer Hohlleiterschmalseite ist eine durch die strichpunktierte Linie
16 angedeutete Mittelachse gelagert, an der ein Antriebsrad 17 befestigt
ist. Von dem Antriebsrad 17 werden durch Drehung in Richtung des Pfeiles
20 die auf den Wellen 14 und 15 befestigten Räder 18 und
19 in Richtung der Pfeile 21 und 22 gleichsinnig angetrieben. Die Kristalle
2 und 2' sind so angebracht, daß ihre schweren und leichten Richtungen um einen
Winkel von 90<1 gegeneinander versetzt sind. Das beispielsweise von einem Permanentmagneten
erzeugte Gleichfeld H, liegt entsprechend der Richtung des Pfeiles 6 senkrecht
zu den Hohlleiterbreitseiten. Werden beide Kugeln über das Antriebsrad 117 gleichzeitig
gedreht, so wird die Resonanzfrequenz des einen Resonators kleiner und die des anderen
größer. Wenn die Lage der Kristalle so gewählt wird, daß die schwere Richtung des
einen Kristalls parallel zur Hohlleiterbreitseite und die leichte Richtung des anderen
senkrecht zur Hohlleiterbreitseite liegt, dann ist die Differenz der Resonanzfrequenzen
beider Resonatoren und somit auch die Bandbreite am größten. Nach einer Drehung
um 45' ist die Resonanzfrequenz beider Kristalle gleich und somit die Bandbreite
am kleinsten. Eine derartige Anordnung entspricht daher in ihrem elektrischen Ersatzschaltbild
einer zweikreisigen Bandsperre, deren Resonanzkreise miteinander gekoppelt sind,
wobei die Resonanzfrequenzen der einzelnen Kreise zur Veränderung der Bandbreite
einstellbar sind. Mit weiteren Kristallen, z. B. mit einem nicht abstimmbaren dritten
Resonator auf der Mittenfrequenz des Filters können drei- und mehrkreisige Filter
aufgebaut werden.
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Der Aufbau einer zweikreisigen Bandsperre vom Reflexionstyp ist in
der F i g. 6 dargestellt. Ein Rechteckhohlleiter 1 ist an einem Ende
mittels einer metallischen Wand 23 kurzgeschlossen. An einer nur durch die
strichpunktierte Linie 24 angedeuteten Achse aus einem dielektrischen Material sind
zwei kugelförmige ferrimagnetische Kristalle 2 und 2# derart befestigt, daß ihre
schwere und leichte Richtung aufeinander senkrecht stehen. Die Achse 24 ist in Richtung
des doppelten Pfeiles 5 drehbar gelagert. Eine in Richtung des Pfeiles
25 in dem Hohlleiter 1
einfallende elektromagnetische Welle wird an
der Kurzschlußwand 23 reflektiert. Für die hinlaufende Welle ist nur der
Kristall 2, für die zurücklaufende Welle nur der Kristall 2' wirksam. Dies wird
dadurch erreicht, daß der Kristall 2 für die hinlaufende Welle an einem Ort mit
rechtszirkularpolarisiertem Feld sitzt, während auf dem Kristall 2' nur eine linkszirkularpolarisierte
Welle wirkt, die keine Absorption erfährt. Für die zurücklaufende Welle gilt entsprechend
das Umgekehrte. Hinsichtlich der Veränderung der Bandbreite gelten wegen der aufeinander
senkrecht stehenden schweren und leichten Richtung der Kristalle 2 und 2' sinngemäß
die bereits beim Ausführungsbeispiel der F i g. 5 gegebenen Ausführungen.
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In der F i g. 7 und 8 ist ein zweikreisiges Bandfilter
dargestellt, das mit Hilfe von Bandleitungen aufgebaut ist. Die F ig.7 zeigt einen
Querschnitt längs der Schnittlinie A-B von der F i g. 8, die F i
g. 8
eine Draufsicht bei geöffneter Abdeckplatte.
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In zwei an einer Breitseite 29 aneinander anliegenden Außenleitern
30 und 32 liegen die als Bandleiter ausgebildeten Innenleiter
31 und 31 Der Innenleiter 31 ist mit dem Innenleiter 34 einer
koaxialen Anschlußleitung 35 verbunden, der Innenleiter 33 mit dem
Innenleiter 36 einer Koaxialanschlußleitung 36,
37. Der Innenleiter
31 ist an einer am Außenleiter 30
angebrachten Kurzschlußwand
38 kurzgeschlossen, während der Innenleiter 33 an der Wand
39 des Außenleiters 32 kurzgeschlossen ist. In der beiden Außenleitern
30 und 32 gemeinsamen Trennwand 29
ist ein schmaler Schlitz
40 vorgesehen, der in Richtung der Innenleiter verläuft. Zwischen.den, Innenleitern
31 und 33 und der Trennwand 29 sind an Stäben 41 und 42 aus
einem dielektrischen'Material die kugelförmigen ferrimagnetischen Kristalle 2 und
2' in der Höhe des Schlitzes ' 40 befestigt. Die Stäbe 41 und 42, die lediglich
durch strichpunktierte Linien angedeutet sind, können in der bereits beschriebenen
Weise durch -einen geeigneten Antrieb entweder für sich getrennt oder im Gleichlauf
in Richtung der Doppelpfeile 45 und 46 gedreht werden. Das magnetische Gleichfeld
H, ist durch den Pfeil 6 angedeutet und kann beispielsweise durch einen Permanentmagneten
erzeugt werden.
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Eine sich im Leitersystem 30, 31 fortpflanzende elektromagnetische
Welle kann zunächst nicht auf das Leitersystem 32, 33 übergekoppelt werden,
da die sich um den Innenleiter 31 ausbildenden magnetischen Feldlinien 43
senkrecht zum Schlitz 40 verlaufen. Wenn die Frequenz der sich -im Leitersystem
30, 31 fortpflanzenden elektromagnetischen Wellen zumindest näherungsweise
mit der Resonanzfrequenz des ferrimagnetischen Kristalls 3 übereinstimmt,
entsteht eine in Richtung des Schlitzes 40 weisende magnetische Feldkomponente,
so daß magnetische Feldlinien durch den Schlitz 40 hindurchtreten. Wenn dabei gleichzeitig
der ferrimagnetische Kristall 2' zumindest näherungsweise in Resonanz ist, entsteht
im Leitersystem 32, 33 eine magnetische Feldkomponente, die ein sich um den
Innenleiter 33
ausbildendes magnetisches Feld 44 erzeugt und damit im Leitersystem
32, 33 eine elektromagnetische Welle anregt, die am koaxialen Ausgang
36, 37 abgenommen werden kann. Eine derartige Anordnung entspricht einem
zweikreisigen Bandfilter, dessen Durchlaßmitte über einen vorgegebenen Frequenzbereich
durchstimmbar ist.
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In einfacher Weise läßt sich auch bei einem solchen Filter die Bandbreite
verändern. Hierzu werden kugelförmige Kristalle 2 und 2' so eingestellt, daß ihre
schwere und leichte Richtung nicht exakt parallel zueinander verlaufen, sondern
in einem bestimmten Winkel zueinander geneigt sind. Sieht man hierzu eine Veränderung
der Winkelstellung in der Weise
vor, daß beispielsweise der an der
Achse 41 befestigte Kristall 2 relativ zu dem an der Achse 42 befestigten Kristall
2' drehbar ist, dann läßt sich außer Frequenzdurchstimmung eine in weiten Grenzen
veränderbare Bandbreite einstellen.
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Die Erfindung wurde an Hand von Filtem erläutert, die mit Hilfe von
rechteckförmigen Hohlleitem und Bandleitungen aufgebaut sind. Statt dessen können
in analoger Weise beliebige andere für die Fortpflanzung elektromagnetischer Energie
geeignete Leitersysteme verwendet werden.