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Nichtreziproker Phasenschieber Die Erfindung bezieht sich auf einen
nichtreziproken Phasenschieber für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend
aus einer Hohlleitung rechteckigen Querschnitts, in der in axialer Erstreckung streifenförmiges,
parallel zu den Hohlleiterschmalseiten ausgerichtetes und vormagnetisiertes, gyromagnetisches
Material, beispielsweise ein Ferrit, angeordnet ist.
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Nichtreziproke Phasenschieber der -vorbezeichneten Art werden beispielsweise
als Teilelement in einem Zirkulator benötigt, für den auch der Fachausdruck »Richtungsgabel«
gebräuchlich geworden ist. Vor allem bei derartiger Verwendung ist an den nichtreziproken
Phasenschieber die Forderung zu stellen, daß die von der übertragungsrichtung abhängige
Phasendrehung innerhalb des von den Betriebsfrequenzen überstrichenen Frequenzbandes
konstant bleibt bzw. einen bestimmten Fehler nicht überschreitet. Beispielsweise
soll für Richtungsgabeln der frequenzabhängige Phasenfehler innerhalb des Bandes,
in dem die Betriebsfrequenzen liegen können, 111/o nicht übersteigen. Diese Forderung
ist mit den bisher bekannten Anordnungen nicht ohne weiteres erfüllbar. In einem
räumlich unbegrenzten gyromagnetischen Material sind zwar die sogenannte Faraday-Drehung
und die nichtreziproke Phasenschiebung frequenzunabhängig, solange die gyromagnetische
Resonanzfrequenz sehr viel kleiner als die Arbeitsfrequenz bzw. Betriebsfrequenz
ist. Für eine Anordnung mit dünnen Ferritplatten, die parallel zu den Schmalseiten
eines Hohlleiters rechteckförmigen Querschnitts liegen, zeigt sich jedoch, daß ein
negativer Frequenzgang der Phasenschiebung eintritt. Die Größe dieses negativen
Frequenzganges ist von verschiedenen Parametern, wie der Stellung des gyromagnetischen
Materials im Hohlleiter, der magnetischen Feldstärke usw., abhängig. Wird die Betriebsfrequenz
nennenswert kleiner als die gyromagnetische Resonanzfrequenz gewählt, - durch entsprechend
hohe Vormagnetisierung des gyromagnetischen Materials - so zeigt sich, daß der Frequenzgang
der nichtreziproken Phasendrehung positiv wird. Diese Tatsachen können bekanntlich
dazu benutzt werden, um z. B. durch Hintereinanderschaltung eines nichtreziproken
Phasenschiebers mit negativem Frequenzgang der Phasendrehung und eines nichtreziproken
Phasenschiebers mit positivem Frequenzgang der Phasendrehung die Gesamtphasendrehung
konstant zu halten. Abgesehen davon, daß diese Art der Kompensation räumlich und
apparatemäßig sehr aufwendig ist, bereitet sie insofern große Schwierigkeiten, weil
in dem nichtreziproken Phasenschieber, dessen gyromagnetische Resonanzfrequenz weit
oberhalb der Betriebsfrequenz liegt, ein sehr großes statisches Magnetfeld für die
Vormagnetisierung benötigt wird.
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Der Frequenzgang der Phasenschiebung kann bekanntlich auch dadurch
verbessert werden, daß das gyromagnetische Material etwas außerhalb des Ortes maximaler
Phasenschiebung, d. h. des Ortes zirkularer Polarisation des magnetischen Wechselfeldes,
im Hohlleiter angeordnet wird. Weiterhin ist es bekannt, bei einer nichtreziproken
gyromagnetischen Anordnung zur Phasenschiebung den die ganze Höhe des Hohlleiters
einnehmenden Ferritstreifen einen Streifen aus dielektrischem Material etwa gleicher
Abmesung beizuordnen. Ein derart bemessener Phasenschieber läßt sich bei einer relativen
Bandbreite von ± 1011/o im Frequenzgang an den Bandgrenzen bereits auf etwa 3% einengen.
Abgesehen davon, daß dieser Frequenzgang für verschiedene Anwendungsfälle immer
noch verhältnismäßig groß ist, weisen Anordnungen, bei denen sich das gyromagnetische
Material über die ganze Höhe des Hohlleiters erstreckt, erhebliche Mängel auf. Einerseits
lassen sie sich nämlich schlecht an die sich auf beiden Seiten anschließenden Hohlleiterabschnitte
anpassen, so daß mit einem hierdurch bedingten zusätzlichen Frequenzgang gerechnet
werden muß, andererseits kann die im gyromagnetischen Material durch Hochfrequenzverluste
erzeugte Wärme nur schlecht abgeführt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen nichtreziproken
Phasenschieber der einleitend beschriebenen Art eine einfache Lösung aufzuzeigen,
die die geschilderten Schwierigkeiten überwindet.
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Ausgehend von einem nichtreziproken Phasenschieber für sehr kurze
elektromagnetische Wellen, bestehend aus einer Hohlleitung rechteckförmigen Querschnitts,
in der in axialer Erstreckung streifenförmiges,
vormagnetisiertes,
gyromagnetisches Material von rechteckigem Querschnitt, beispielsweise ein Ferrit,
angeordnet ist, das wenigstens nach dem Zentrum der Hohlleitung hin an ein verlustarmes
Dielektrikum angrenzt und derart außerhalb des Ortes für maximale, nichtreziproke
Phasenschiebung in Richtung auf - die. Hohlleiterschmalseiten hin versetzt angebracht
ist, daß die nichtreziproke Phasenschiebung innerhalb des Betriebsfrequenzbereiches
wenigstens nahezu konstant ist, 'wird gemäß der Erfindung die Aufgabe dadurch gelöst,
daß in an sich bekannter Weise das Dielektrikum bei etwa gleichen oder größeren
Abmessungen als das gyromagnetische Material eine etwa gleich-große Dielektrizitätskonstante
aufweist, wie das gyromagnetische Material, wobei sich dieses: in der parallel zu
den Hohlleiterschmalseiten verlaufenden Richtung nur über einen Teil -des Hohlleiterquerschnitts
erstreckt und mit einer seiner Breitseiten an der Innenwandung, vorzugsweise nur
einer der beiden Hohlleiterbreitseiten, anliegt: Es sind schon Resonanzrichtungsleitungen
in Rechteckhohlleiterb.auweise bekannt, bei denen sich das gyromagnetische Material
in der parallel zu den Hohlleiterschmälseiten verlaufenden Richtung nur über einen
Teil des Hohlleiterquerschnitts erstreckt und mit =einer:. Seite unmittelbar an
der Innenwandung der Hohlleiterbreitseite anliegt. Auch ist es bei solchen Resonanzrichtungsleitungen
bekannt, wenigstens auf einer Seite der Ferritstreifen Streifen aus dielektrischem
Material mit einer relativen Dielek:. trizitätskonstante vorzusehen, die etwa in
der. Größenordnung des Ferrits liegt. Diese Maßnahme hat den Sinn, das Verhältnis
von Sperr- zu Durchlaßdämpfung, bezogen auf die Längeneinheit zu verbessern. Im
Gegensatz zu Anordnungen mit nicht= reziproker Phasenschiebung nützen Resonanzrichtungsleitungen
die Eigenresonanz des gyromagneti; scheu Materials aus und zeigen auch ein gänzlich
anderes Verhalten. Sie können deshalb mit dem Er= findungsgegenstand unmittelbar
nicht verglichen werden. Das wird auch daran deutlich, daß die bei bekannten Anordnungen
verwendeten Streifen aus Dielektrikum einem völlig anderen Zweck dienen und eine
völlig andere Wirkung haben als das Dielektrikum bei der erfindungsgemäßen Anordnung:.
Auch dürfen hier die Ferritstreifen nicht außerhalb des Ortes'zirkularcr Polarisation
des magnetischen Wechselfeldes angeordnet sein, wenn das mit dem Dielektrikum angestrebte
optimale Verhältnis von Sperr- zu Durchlaßdämpfung nicht in Frage gestellt sein
soll.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung eines nichtreziproken -Phasenschiebers
gibt ein sehr günstiges Verhalten des Phasenwinkels in Abhängigkeit von der Frequenz.
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Die physikalische Wirkungsweise kann man sich folgendermaßen, erklären.
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Aus Vereinfachungsgründen wird für die nachfolgenden Erläuterungen
angenommen, daß Ferrit als gyromagnetischesMaterial dient, und daß die Vormagnetisierung
dem Fall entspricht, für den-die gyro-, magnetische Resonanzfrequenz wesentlich
kleiner, als die Betriebsfrequenz ist. Es gibt dann für die Streifen aus gyromagnetischem
Material, also z: B. die Ferritstreifen, einen- Ort x (vgl. F i g. 1) längs der;
Hohlleiterbreitseite, an dem die nichtreziproke Pha-, sendrehung maximal ist. z
_ ist der- Ort, an _ dem dir Quotient aus Längs- und Querkomponente der magnetischen
Feldstärke einen bestimmten - durch die Entmagnetisierungsfaktoren der Ferritstreifen.
gegebenen - Wert hat: Dieser Ort ist frequenzabhängig und wandert im leeren Hohlleiter
mit wachsender Frequenz gegen die Hohlleiterschmalseiten, und zwar gemäß der Gleichung
x = (ä/ur) - arc tau (C # A H),
mit a = Hohlleiterbreitseite
und C = const. Wenn sich der Ort x mit wachsender Frequenz den Ferritstreifen nähert
und dadurch die nichtreziproke Phasendrehung erhöht wird, kann eine Kompensation
des negativen Frequenzganges erreicht werden.
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Ohne besondere Maßnahmen ließe sich jedoch nur eine geringe Verkleinerung
des Freqüenzganges erreichen, wenn die Ferritstreifen in Richtung auf die Hohlleiterschmalseiten
verschoben würden. -Der Grund liegt, wie umfangreiche Untersuchungen zeigten, darin,
daß durch das Dielektrikum relativ hoher. Dielektrizitätskonstante das das Ferrit
darstellt, die Feldverteilung wesentlich gegenüber der im leeren Hohlleiter. geändert
wird. Es tritt eine Konzentration der Feldenergie im Ferrit ein, so daß das Verhältnis
von magnetischer Längs- und Querkomponente imi Ferrit nahezu freduenzunabhängig
ist.
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Setzt man jedoch auf die Innenseite der Ferritstreifen ein Dielektrikum
etwa der gleichen Abmessungen und etwa der gleichen Dielektrizitätskonstante wie
die der Ferritstreifen, so tritt die Konzentration der Feldenergie im Körper »Ferrit
-f- Dielektrikum« ein und der Bereich der frequenzabhängigen Stellung von x wird
auf das Dielektrikum erweitert. Es wird so erreicht, daß x mit wachsender Frequenz
-vom Dielektrikum in das Ferrit übergeht. Eine breitbandige Kompensation oder auch
Umkehrung. des Frequenzganges der nichtreziproken Phasendrehung ist mög=' lich,
je nach den Abmessungen des Dielektrikums und der Größe von dessen Dielektriaitätskonstante.
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Darüber hinaus wird der wesentliche Vorteil erzielt, daß durch die
erhöhte Feldkonzentration die Wirksamkeit des Ferrits erhöht wird, d. h., es steigt
die erreichbare nichtreziproke Phasendrehung je Längeneinheit.
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Meßtechnische Untersuchungen haben diese überlegungen bestätigt. So
wurde in einem Hohlleiter. rechteckförmigen Querschnitts für die übertragung der
Wellen in der H.. -Schwingungsart mit den Seitenabmessungen 34;85 mm - 5 mm als
gyromagneti-. sches Material ein resonanzscharfes Ferrit in Streifenform eingebracht,
und zwar mit den Abmessungen 4,0 mm - 2,9 mm - 50 mm. Dieser Ferritstreifen lag
mit seiner Breitseite unmittelbar auf der breiten Hohlleiterwandung auf und die
Entfernung der der Schmalseiten benachbarten Seite des Streifens von der Hohlleiterschmalseite
.betrug jeweils 7 mm. Die Anordnung hat somit einen. Querschnitt wie er in der F
i g. 1 dargestellt ist, in der mit 1 der Hohlleiter,. mit 2 zwei in Pfeilrichtung-
vormagnetisierte Streifen aus gyromagnetischem Material und mit 3 zwei Keramikstreifen
bezeichnet sind. Auf der dem Zentrum der Hohlleiter zugewandten Seite der Ferritstreifen
2 bestanden die Streifen 3 aus einer verlustarmen Keramik _(tg d .:: 7 - 10-4) mit
einer relativen Dielektrizitätskonstante von 28, deren Abmessungen 2,4 mm - 1,8
mm - 50 mm betrugen. Die breite Seite dieser Keramikstreifen 3 lag ebenfalls auf
der Breitseite- der- Hohlleitung 1. auf: Für eine derartige An..
ordnung
ergab sich in einem Betriebsbereich von 5,9 bis 6,5 GHz eine Phasendifferenz zwischen
beiden übertragungsrichtungen, die mit etwa 135° frequenzunabhängig war (Kurve a
in F i g. 2). Ohne die Keramikstreifen ergab sich eine Phasenschiebung, wie sie
die Kurve b in F i g. 2 andeutet. Die Phasenschiebung D - im Diagramm auf 2 n normiert
-nahm in diesem Fall mit zunehmender Frequenz ab.
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Bei dem ausgeführten Beispiel des Erfindungsgegenstandes wurde die
Keramik in Streifenform eingebracht. Es ist jedoch bei einem hinreichend verlustarmen
dielektrischem Material auch möglich, praktisch den ganzen Hohlleiter mit dem dielektrischen
Material, dessen relative Dielektrizitätskonstante vorzugsweise in der Größenordnung
der des gyromagnetischen Materials liegt, auszufüllen und das gyromagnetische Material
entsprechend der Lehre nach der Erfindung bei einem kleineren Wandabstand als x
anzuordnen. Es hat dies den Vorteil, daß die Gesamtanordnung aus einem das gyromagnetische
Material enthaltenden Dielektrikum besteht, das mit dem eigentlichen Hohlleiter
- entsprechend einem älteren Vorschlag (deutsche Auslegeschrift 1202 848) - auf
galvanoplastischem Wege umgeben werden kann.