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Nichtreziproker Vierpol Die Erfindung betrifft einen nichtreziproken
Vierpol für kurze elektromagnetische Wellen, insbesondere für den Bereich der Meterwellen,
bestehend aus einer Streifenleitung, auf deren mit einer kammartigen Verzögerungsstruktur
versehenem streifenförinigen Innenleiter wenigstens ein unter dem Einfluß eines
magnetischen Gleichfeldes stehender Streifen ,aus einem gyromagnetischen Material
derart aufgebracht ist, daß er den Innenleiter in axialer Richtung nur teilweise
überdeckt.
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Bekanntlich wird unter einem nichtreziproken Vierpol eine Anordnung
*verstanden, die elektroniagnetische, Energie in einer Richtung nahezu verlustlos
überträgt, während in der anderen Richtung sich ausbreitende elektromagnetische
Energie einer sehr großen Dämpfung unterworfen ist. Gleichermaßen läßt sich auch
die Phase der in der einen Richtung übertragenen Energie um einen bestimmten Winkelbetrag
drehen, während die in der anderen Richtung sich ausbreitende elektromagnetische
Energie die nielltreziproke Anordnung mit einer anderen Phasenirchung durchläuft.
Derartige Anordnungen lassen sich vorteilhaft dort einsetzen, wo es darum geht,
elektrische Schaltkreise möglichst rückwirkungsfrei miteinander zu verbinden. Bei
solchen nichtreziproken Vier-polen wird in der Regel das Resonanz# verhalten gyromagnetischer
Stoffe ausgenutzt. Der gyromagnetische Stoff ist hierbei im Innern eines Wellenleiters
angeordnet und wird mit Hilfe von einem außerhalb des Wellenleiters angebrachten
Magnetsystem vormagnetisiert. Der nichtreziproke Charakter beruht auf der Eigenresonanz
der Präzessionsbewegung der magnetischen Momente des gyromagnetischen Materials.
Nichtreziproke Vierpole wurden zunächst im Bereich der sehr kurzen elektromagnetischen
Wellen, also im Bereich der Mikrowellen bekannt, da nämlich für das Auftreten einer
nichtreziproken Resonanzabsorption das gyromagnetische Material an solchen Stellen
des Wellenleiters angeordnet sein muß, an denen die magnetische Komponente des elektromagnetischen
Feldes eine zirkulare bzw. eine elliptische Polarisation aufweist. Da im Mikrowellenbereich
als Wellenleiter vorzugsweise Hohlleitungen Verwendung finden und da bei sich in
Hohlleitungen fortpflanzender elektromagnetischer Energie in der Regel ohnehin zirkular
polarisierte Anteile des magnetischen Wechselfeldes vorhanden sind, ist es dort
verhältnismäßig einfach, Vierpole mit nichtreziprokem Charakter zu realisieren.
Will man jedoch im Bereich der Meterwellen bzw. der längeren Dezimeterwellen solche
nichtreziproken Vierpole realisieren, dann treten hierbei zum Teil erhebliche Schwierigkeiten
auf, die'vor allem darin zu sehen sind, daß Hohlleitungen im Be-
reich der
Meterwellen außerordentlich große Abmessungen annehmen und somit unhandlich und
raumverbrauchend werden. Es kommt ferner hinzu, daß der gyromagnetisch#e
Werkstoff solche Eigenschaften und eine solche Form besitzen muß, daß die gyromagnetische
Resonanzfrequenz hinreichen.d,tief ist, d. h. also ebenfalls im Bereich der
Meterwellen liegt.
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Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, ist bereits eine Anordnung bekanntgeworden,
bei der zum Aufbau eines nichtreziproken Vierpols eine, Koaxialleitung Verwendung
findet. Da in einer ungestörten Koaxialleitung die magnetische Feldkomponente des
elektromagnetischen Feldes nirgendwo zirkular polarisiert ist, ist es erforderlich,
das Feld der Koaxialleitung (TEM-Welle) so zu verzerren, daß eine Längskomponente
des magnetischen Wechselfeldes entsteht, ohne die ein nichtreziprokes Verhalten
nicht auftreten kann. Bei dieser bekannten Anordnung wird diese Feldverzerrung durch
einen in die Koaxialleitung eingefügten Abschnitt aus einem dielektrisehen Material
bewirkt, das den Querschnitt der Koaxialleitung nur zum Teil ausfüllt. An den Grenzflächen
zwischen dem Dielektrikum und dem übrigen die Koaxialleitung erfüllenden Medium
ist das gyromagnetische Material in unmittelbarer Nachbarschaft der Innenwand des
Außenleiters angeordnet.
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Es ist weiterhin eine Anordnung bekanntgeworden, bei der der nichtreziproke
Vierpol mit Hilfe einer Streifenleitung aufgebaut ist. Hierbei sind zu beiden Seiten
eines streifenartigen Innenleiters Streifen aus einem gyromagnetischen Material
derart angeordnet, daß sie den Innenleiter zum Teil überlappen. Bei dieser Anordnung
werden dem gyromagnetischen Material zweierlei Funktionen zugeordnet, nämlich die
des nichtreziproken Werkstoffes und die
der Verzerrung des elektromagnetischen
Feldes. Jedoch ist es nun nötig, -dem Werkstoff. eine Form zu geben, die einmal
für die Verzerrung des Feldes günstig ist, zum anderen aber soll die Form auch für
die Resonanzbedingungen der gyromagnetischen Resonanz bei tiefen Frequenzen.günstig
sein. Nach. den heute vorliegenden Erkenntnissen scheinen sich diese beiden Forderungeh#
nicht gleichzeitig optimal erfüllen zu lassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend geschilde#rten.
Schwierigkeiten in vethältnismäßig einfacher Weise zu mindern. Unter anderem soll
erreicht werden, daß die oben bereits erwähnte nötige Verzerrung des elektromagnetischen
Feldes nicht mehr nur von der Form des gyromagnetischen Werkstoffes abhängt.
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Ausgehend von einem nichtreziproken Vierpol für kurze elektromagnetische
Wellen,-insbegondere für den Bereich der Meterwellen, bestehend aus einer Str--ifenleitung,
auf -deren mit einer kammartigeff Verzögerungsstruktur versehenen streifenförmigen
Innenleiter wenigstens ein unter dem Einfluß eines magnetischen Ö7l#Ichieldes -stehender
Streifen aus einem gyromagnetischen Material derart aufgebracht ist, daß er den
Innenleiter in axialer Richtung nur teilweise überdeckt, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der streifenförmige Innenleitex auf beiden Seiten 'mit einer
kammartigen Verzögerungsärätur versehen ist und daß die Kammstruktur auf -den beiden
Seiten unterschiedlich ausgebildet sind. Eskann z.B. die Tiefe der Einschnitte verschieden
tief gewählt und/oder der Abstand der Zinken und/oder deren Breite verschieden groß
bemessen sein.
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Hierbei ist es günstig, wenn die aus gyromagnetischem Material bestehenden
Streifen entweder auf der Seite des Innenleiters angeordnet sind, auf der die Kammzinken
den größeren Abstand voneinander haben, oder auf der Seite des Innenleiters angeordnet
sind,'auf der die Kamm inken den kleiner-en Ab-
stand voneinander haben.
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Eine für die Praxis günstige Ausführungsform läßt sich-ferner dadurch
erzielen, daß die Streifenleitung in ihrer einen Hälfte mit einem festen Dielektrikum
derart aufgefüllt ist, daß der Innenleiter und die aus gyromagnetischem Material
bestehenden Streifen in der zur Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Energie
senkrechten Richtung nur teilweise vom Dielektrikum überdeckt sind.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
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In den F i g; 1 uncl 2 der Zeichnung ist ein nichtreziproker
Vierpol schematisch dargestellt, zu dessen Aufbau eine Streifenleitung verwendet
ist. Die F i g. 2 stellt einen Längsschnitt längs der Schnittlinie A-B der
in der F i g. 1 im Querschnitt gezeichneten Anordnung dar. In einem metallischen
Außenleiter 1 mit rechteckförmigem Querschnitt ist ein streifenförmiger Innenleiter
2 vorgesehen, an dessen Unter- und Oberseite die aus gyromagnetischem Material bestehenden
Streifen 3 und 3' angeordnet sind. Als gyromagnetisches Material kommen
hierbei beispielsweise Magnesium-Mangan-Fe,rrite oder auch Yttrium-Eisen-Granat
in Frage. Die gyromagnetischen Plättchen 3
und 3' stehen unter dem
Einfluß eines magnetischen Gleichieldes, das2 'beispielsweise von den beiden Dauermagneten
-(N, S) 4 und 4' erzeugt wird. Der magnetische Fluß der beiden Dauermagneten
wird Über ' ein aus einem magnetischen Material bestehendes Joch-
5 geschlossen. Wie der F i g. 2 zu - entnehmen ist, hat der
Innenleiter 2 die Form eines zu beiden Seiten mit den ungleichen Zinken
6 und 7
versehenen Kamm-es. Diese kammartige Aus * bildung des
Innenleiters -hat die Wirkung einer Verzögerungsstruktur, wodurch die Phasengeschwindigkeit
der elektromagnetischen Welle in den beiden Hälften der Streifenleitung verschieden
groß ist. Diese unterschiedliche Phasengeschwindigkeit bringt dann die für das Auftreten
der gyromagnetischen Resonanz erforderliche zirkulare bzw. elliptische Polarisation,
d. h. also eine in Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Welle zeigende
Komponente der in&-gnetischen Feldkomponente. Die Dimiensionierung der Verzögerungsstruktur
hängt im einzelnen wesentlich von den Abmessungen und den Eigenschaften des gyromagnetischen
Werkstoffes sowie äi'fch vo der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle ab. Wie
der Erfindung zugrunde liegende Untersuchuff-' gen gezeigt haben, ist es bei Magnesium-Mangan-Fer'riten
günstig, die Streifen 3 und Y, wie in d## F i ` g. 1 und 2
dargestellt, -über den,Zinken- 6 mit dem
kleineren gegenseitigen Abstand
der kammförmigeii Innenleiters anzuordnen. Hingegen ist es bei A.er#, Verwendung
von Yttrium-Eisen-Granat als gyromagnetischer Werkstoff günstiger, die Plättchen3
und 3' Über den weiter auseinanderstehenden Zinken 7 des Innenleiters
2 anzuordnen. Ein erheblicher Vorteil des beidseitig mit Verzögerungsstrukturen'.
unterschiedlicher Verzögerung versehenen Innenleiters ist vor allem auch darin zu
seh#ii, daß durch verhältnismäßig einfache mechanische Maßnahmen ' -nämlidh
durch die unterschiedliche Breite und den unterschiedlichen Abstand der Kanunzinken,
die Phasengeschwindigkeiten der elektromagnetischen Welle in beiden Hälften der
Streifenleitung beliebig steuerbar sind. Bei Richtungsleitungen ergeben sich auf
Grund der beidseitigen Kammstruktur verhältnismäßig hohe Dämpfungswerte, so daß
mit einem Bauelement von verhältnismäßig kurzer Baulänge bereits hohe Anforderungen
an die Rückflußdämpfung erfüllt werden können.
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In der F i g. 2 ist der Einfachheit halber eine Kammstruktur
dargestellt, bei der nur die Abstände der zu beiden Seiten liegenden Kammzinken
voneinander unterschiedlidli sind. In gleicher Weise läßt sich eine unterschiedliche
Verzögerungsstruktur auch dadurch erzielen, daß z. B. bei gleicher Breite und gleichem
Abstand der Kammzinken die für die Ausbildung der Kammzinken erforderliche Einschiiittiefe
zu beiden Seiten der Streifenleitung unterschiedlich gewählt wird oder daß bei gleichem
Abstand und gleicher Einschnittiefe die Breite der Kanunzinken unterschiedlich ist.
Ebenso sind auch beliebige Kombinationen dieser einzelnen Möglichkeiten denkbar.
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Wie bereits erwähnt, ist die in den F i g. 1 und 2 gezeichnete
Anordnung zur besseren Übersicht nur schematisch dargestellt. Aus diesem Grunde
sind auch die zur Befestigung des Innenleiters 2 bzw. der Streifen 3 zur
Halterung erforderlichen Stützen nicht gezeichnet. Ebenso sind auch übergangsstücke
zum Übergang von der Streifenleitung auf eine koaxiale oder eine symmetrische Leitung
in der Zeichnung nicht dargestellt, da sie im einzelnen zum Verständnis der Anordnung
nicht beitragen würden.
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Die F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem
in einem rechteckigen Außenleiter 1 ein zu
beiden Seiten
mit einer Verzögerungsstruktur versehener Innenleiter 2 angeordnet ist. Die Streifenleitung
ist teilweise mit einem aus einem dielektrischen Material bestehenden Körper
8 ausgefüllt. Der Innenleiter 2 und die aus gyromagnetischem Material bestehenden
Streifen 3 und 3' ragen teilweise in das Dielektrikum 8 hinein.
Bei einer derartigen Anordnung ist bei der Bemessung der Verzögerungsstrukturen
außer den Abmessungen und den Eigenschaften des gyromagnetischen, Werkstoffes und
der Wellenlänge noch im wesentlichen die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen
Materials 8 zu berücksichtigen.