DE1815570A1

DE1815570A1 - E-plane waveguide circulator with three connections

Info

Publication number: DE1815570A1
Application number: DE19681815570
Authority: DE
Inventors: Masahiro Omori
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1967-12-21
Filing date: 1968-12-19
Publication date: 1969-12-04
Also published as: NL6817931A; US3492601A; GB1245788A; BE725654A; DE1815570B2; FR1597008A; NL156269B

Description

Western Electric Company Incorporated M. Omori - 3Western Electric Company Incorporated M. Omori - 3

New York, N. Y., 10007, USANew York, N.Y., 10007, USA

E-Ebenen-Hohlleiterzirkulator mit drei AnschlüssenE-plane waveguide circulator with three connections

Die Erfindung betrifft elektromagnetische Hohlleiter zirkulatoren mit drei Anschlüssen des Typs, bei dem drei Rechteckhohlleiter in einer gemeinsamen E-Ebene zu einem Y-Verbinder zusammengeführt sind und ein magnetisch polarisiertes Glied aus einem Material mit gyromagnetischen Eigenschaften in dem auf diese Weise in dem Verbinder gebildeten Hohlraum angeordnet ist.The invention relates to electromagnetic waveguide circulators with three connections of the type in which three rectangular waveguides in a common E-plane form a Y-connector are brought together and a magnetically polarized member made of a material with gyromagnetic Properties is arranged in the cavity formed in this way in the connector.

E-Ebenen-Zirkulator en sind kompakter und können wesentlich höhere Leistungen verarbeiten als die häufiger benutzten H-Ebenen-Zirkulator en. Diese Vorteile machen die E-Ebenen-Ausführungsform potentiell brauchbar für Duplex-Operationen. Die E-Ebenen-Ausführungsform besitzt jedoch Nachteile bezüglich kleiner Bandbreite, hoher Verluste und noch unerklärter Resonanzspitzen im interessierenden Frequenzband. Dadurch ist die wirkliche Brauchbarkeit dieser Ausführungsform auf Laborexperimente beschränkt geblieben.E-plane circulators are more compact and can be substantial Process higher powers than the more frequently used H-level circulator en. These advantages make the E-plane embodiment potentially useful for duplex operations. The E-plane embodiment, however, has disadvantages relating to small bandwidth, high losses and as yet unexplained resonance peaks in the frequency band of interest. Through this the real usefulness of this embodiment has remained limited to laboratory experiments.

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Die Nachteile der früheren E-Ebenen-Zirkulatoren ergeben sich aus dem Verbinder-Hohlraum selbst, der als in Reihe mit dem Übertragungsweg über den Zirkulator geschalteter Parallelresonanzkreis wirkt. Da dessen Resonanz nahe oder innerhalb des Betriebsbandes des Zirkulators liegt, absorbiert er beträchtliche Leistung und bewirkt die beobachtete kleine Bandbreite und große Einfügungsdämpfung. Eine Lösung dieses Problems ist die Verwendung einer neuen Hohlleiterausbildung im Verbinder, durch die eine Umwandlung in eine einem Parallelresonanzkreis äquivalente Resonanz erreicht wird, der parallel zum Übertragungsweg liegt, so daß der Hohlraumresonator statt des Absorptions-Hohlraumresonators nach dem Stand der Technik ein Übertragungs-HohlraumBeBonator wird. Im Sonderfall weist die Hohlraumausbildung eine H-Ebenen-Abmessung auf, die wesentlich kleiner als die H-Ebenen-Abmessung der miteinander verbundenen Hohlleiter ist. Diese sind an den Hohlraumresonator durch E-Ebenen-Stufentransformatoren angepaßt.The disadvantages of the earlier E-plane circulators result from the connector cavity itself, which is considered to be in series The parallel resonance circuit connected to the transmission path via the circulator is effective. Since its resonance is close to or is within the operating band of the circulator, it absorbs considerable power and causes the small amount observed Bandwidth and large insertion loss. One solution to this The problem is the use of a new waveguide training in the connector, through which a conversion into a Parallel resonance circuit equivalent resonance is achieved, which is parallel to the transmission path, so that the cavity resonator instead of the prior art absorption cavity resonator, a transmission cavity BeBonator will. In the special case, the cavity formation has an H-plane dimension which is much smaller than the H-plane dimension of the interconnected waveguides. These are connected to the cavity resonator through E-level step transformers customized.

Eine weitere Lösung des Problems ist eine zylindrische Hohlraumausbildung, deren H-Ebenen-Abmessung leicht in einem großen Bereich durch wenigstens einen und möglicherweise zwei Schraubkolben einstellbar ist, deren Flächen die Be-Another solution to the problem is a cylindrical cavity formation, their H-plane dimensions easily in one large area can be adjusted by at least one and possibly two screw pistons, the surfaces of which

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grenzungen des Hohlraumresonators bilden.form boundaries of the cavity resonator.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene, perspektivische Ansicht eines Hohlleiterzirkulators nach der Erfindung;1 is a partially cut-away, perspective view of a waveguide circulator according to the invention;

Fig. 2 den Querschnitt eines Teiles der Fig. 1;Fig. 2 shows the cross section of part of Fig. 1;

Fig. 3 bis 6 typische Kennlinien des Übertragungsmaßes in Abhängigkeit von der Frequenz, die jeweils für verschiedene Einstellungen des Zirkulato rs nach den Fig. 1 und 2 gelten.Fig. 3 to 6 typical characteristics of the transmission rate as a function of the frequency, the apply in each case to different settings of the circulator according to FIGS. 1 and 2.

Gemäß Fig. 1 und dem in Fig. 2 gezeigten Teilquer schnitt laufen drei Rechteckhohlleiter 11, 12 und 13 üblicher Querschnittsabmessungen zusammen und Bilden einen ¹¹E-Ebenen-Y-Verbinder" mit drei Anschlüssen. Dies bedeutet nach üblicher Terminologie, daß die Längsachsen aller Hohlleiter sich unter gleichen Winkeln schneiden und in einer gemeinsamen Ebene liegen, die parallel zum elektrischen Vektor in den Hohlleitern verläuft (parallel zur schmalen Wand). Ein leitend begrenzter Zylinder 14 bildet einen Hohlraumresonator, der im Schnittpunkt der Achsen angeordnet ist und dessen Achse senkrecht auf der gemeinsamen E-Ebene steht. Im gleichen Abstand von-According to FIG. 1 and the partial cross-section shown in FIG. 2, three rectangular waveguides 11, 12 and 13 of usual cross-sectional dimensions converge and form an ¹¹ E-plane Y-connector "with three connections. This means, according to conventional terminology, that the longitudinal axes of all Waveguides intersect at the same angles and lie in a common plane that runs parallel to the electrical vector in the waveguides (parallel to the narrow wall). A conductive cylinder 14 forms a cavity resonator which is arranged at the intersection of the axes and whose axis is perpendicular the common E-plane. At the same distance from-

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einander angeordnete rechteckige Öffnungen 15, 16 und 17 am Umfang des Zylinders 14 schließen jeweils die Hohlleiter 11, 12 und 13 an. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Öffnungen 15, 16 und 17 Abmessungen in der H-Ebene (parallel zur breiten Wand, in Fig. 2 mit a bezeichnet) auf, die gleich der H-Ebenen-Abmessung der Hohlleiter 11, 12 und 13 sind, und Abmessungen in der E-Ebene (in Fig. 2 mit b bezeichnet) die im Bereich der halben E-Ebenen-Abmessung b¹ der Hohlleiter 11, 12 und 13 liegen. Der Übergang vom Querschnitt der Öffnungen 15, 16 und auf den der Hohlleiter 11, 12 und 13 erfolgt durch Stufen, beispielsweise 21 oder 22 in einer oder beiden Seitenwänden jedes Hohlleiters. Diese Stufen wirken als Viertelwellenlängen-Transformatoren. Der Abstand zwischen jeder Stufe und der leitenden Wand des Hohlraumresonators 14 ist kleiner als jedes ungerade Vielfache einer Viertel-Hohlleiterwellenlänge bei der Betriebsfrequenz, um den Blindleitwert des Hohlraumresonators anzupassen. Dies soll noch beschrieben werden.Rectangular openings 15, 16 and 17 arranged on top of one another on the circumference of the cylinder 14 adjoin the waveguides 11, 12 and 13, respectively. In a preferred embodiment of the invention, the openings 15, 16 and 17 have dimensions in the H-plane (parallel to the wide wall, denoted by a in FIG. 2) which are equal to the H-plane dimensions of the waveguides 11, 12 and 13, and dimensions in the E-plane (denoted by b in FIG. 2) which are in the range of half the E-plane dimension b ^{1 of} the waveguides 11, 12 and 13. The transition from the cross section of the openings 15, 16 and to that of the waveguides 11, 12 and 13 takes place through steps, for example 21 or 22 in one or both side walls of each waveguide. These stages act as quarter wave transformers. The distance between each step and the conductive wall of the cavity 14 is less than any odd multiple of a quarter waveguide wavelength at the operating frequency to adjust the susceptance of the cavity. This will be described later.

Erfindungsgemäß wird die H-Ebenen-Abmessung des Hohlraumresonators 14 an einem oder beiden Enden durch eine leitende Begrenzung verkürzt. Bei der speziellen Ausführung nach Fig. 1 wird eine einfache Einstellung der wirksamenAccording to the invention, the H-plane dimension of the cavity resonator becomes 14 shortened at one or both ends by a conductive delimitation. In the special version according to Fig. 1 is a simple adjustment of the effective

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Hohlraumresonatorlänge (a-h) durch Verwendung leitender Schraubkolben 18 und 19 erleichtert, die jeweils mit einem Gewinde an der Innenfläche des Hohlraumresonators 14 zusammenwirken, derart, daß jeder Kolben beliebig entlang der Achse des Hohlraumresonators eingestellt werden kann und einen Abschnitt h des Hohlraumresonators schließt. Es sei jedoch betont, daß die Länge des Hohlraumresonators auch auf andere Weise bestimmt werden kann, und zwar entweder fest oder einstellbar. Für eine Nenneinstellung reicht ein
einziger Kolben, beispielsweise der Kolben 18, aus. Aus
diesem Grund ist der Kolben 19 mit seiner Fläche in Flucht mit der oberen Begrenzung der Öffnungen 15, 16 und 17 gezeigt. Der Zirkulator wird vervollständigt, in dem auf die obere Fläche des Kolbens 18 eine Scheibe oder ein Zylinder aus einem Material befestigt wird, das gyromagnetische Eigenschaften zeigt, beispielsweise ein im wesentlichen nichtleitendes ferrimagnetisches oder ferromagnetisches Material, wie Yttrium-Eisengranat oder Ferrit. Der Zylinder 20. weist vorzugsweise einen Durchmesser und eine axiale Länge auf, die etwas kleiner ist als b, obwohl diese Beziehung eine Frage der praktischen Ausführung ist und nicht kritisch zu sein
scheint. Nichtdargestellte Mittel sind vorgesehen, die ein
magnetisches Gleichfeld an den Zylinder 20 senkrecht zurCavity resonator length (ah) facilitated by using conductive screw pistons 18 and 19, which each cooperate with a thread on the inner surface of the cavity resonator 14 such that each piston can be adjusted arbitrarily along the axis of the cavity resonator and closes a section h of the cavity resonator. It should be emphasized, however, that the length of the cavity resonator can also be determined in other ways, either fixedly or adjustable. A nominal setting is sufficient
single piston, for example the piston 18, from. the end
For this reason, the piston 19 is shown with its surface in alignment with the upper limit of the openings 15, 16 and 17. The circulator is completed by affixing to the upper surface of the piston 18 a disk or cylinder made of a material exhibiting gyromagnetic properties, for example a substantially non-conductive ferrimagnetic or ferromagnetic material such as yttrium-iron garnet or ferrite. The cylinder 20. preferably has a diameter and axial length slightly less than b, although this relationship is a matter of practicality and not critical
appears. Means not shown are provided that a
DC magnetic field to the cylinder 20 perpendicular to

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Achse des Zylinders anlegen. Dies ist durch den Vektor H dargestellt.Create the axis of the cylinder. This is represented by the vector H.

Die Erregung eines der Hohlleiter 11, 12 oder 13 ergibt ein Paar gegensinnig rotierender Feldmuster der TM₁₁₁ -Schwingungsform im Hohlraumresonator 14, wenn eine Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators nahe bei deer Erregungsfrequenz liegt. Die entgegengesetzt rotierenden Schwingungsformen weisen Geschwindigkeiten auf, die voneinander um einen vom Wert von H abhängigen Betrag abweichen. Wenn die beiden rotierenden Felder entgegengesetzte Phasenlage an einem Punkt besitzen, werden Knotenpunkte des elektrischen Feldes erzeugt. Beim richtigen Wert von H wird ein Knotenpunkt am Ort eines Anschlusses gebildet, der dem erregten Anschluß benachbart ist, während der verbleibende Anschluß von einem Knotenpunkt entfernt ist. Die Kopplung ist insofern nicht reziprok, als eine Erregung eines anderen Anschlusses zu einem anderen Muster von Knoten- und Antiknotenpunkten führt.The excitation of one of the waveguides 11, 12 or 13 results in a pair of oppositely rotating field patterns of the TM ₁₁₁ waveform in the cavity resonator 14 when a resonance frequency of the cavity resonator is close to the excitation frequency. The oppositely rotating waveforms have velocities that differ from each other by an amount that depends on the value of H. If the two rotating fields have opposite phase positions at one point, nodes of the electric field are created. With the correct value of H, a junction is formed at the location of a terminal adjacent to the energized terminal, while the remaining terminal is remote from a node. The coupling is not reciprocal in that excitation of another terminal results in a different pattern of nodal and anti-nodal points.

Die die Bandbreite und Dämpfung bestimmenden Resonanzen, und zwar sowohl die nach dem Stand der Technik als auch die nach der Erfindung, sowie die richtige Einstellung nach der Erfindung lassen sich beobachten, indem die verschiedenenThe resonances determining the bandwidth and attenuation, both those according to the prior art and the according to the invention, as well as the correct setting according to the invention can be observed by the various

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Transformatoren, beispielsweise 21 und 22, entfernt werden und irgend einer der Anschlüsse des Hohlraumresonators 14 mit der gewünschten Betriebsfrequenz erregt wird. Die Entfernung der Transformatoren führt zu einer solchen Fehlanpassung am Verbindungspunkt, daß die Zirkulator wirkung verlorengeht und der Verbinder in erster Linie eine reziproke Übertragungsanordnung wird, indie ein TM₁ -Hohlraumresonator eingefügt ist. Die Fig. 3-6 stellen Kennlinien für die Übertragung in Abhängigkeit von der Frequenz bei einer solchen Üb er tr agungs anordnung für eine Anzahl von bedeutsamen Einstellungen des Kolbens 18 dar. So zeigt die Fig. 3 die Kennlinie für die Übertragung in Abhängigkeit von der Frequenz über den Verbinder, wenn die Fläche beider Kolben 18 und 19 mit der oberen bzw. unteren Begrenzung der Öffnungen 15, 16 und 17 fluchten, so daß der in Fig. 2 gezeigte Betrag h Null ist und der Hohlraumresonator eine Gesamtlänge von a hat. Der Hohlraumresonator zeigt diejenige scharfe Einsattlung oder Dämpfungsspitze 31 bei einer Frequenz innerhalb des Bandes, die kennzeichnend für einen Resonanzkreis in Reihe mit dem Übertragungsweg ist. Diese Spitze ist verantwortlich für die oben erläuterten Nachteile, die bei bekannten E-Ebenen-Zirkulatoren beobachtet worden sind. Wenn der Kolben 18 zur Vergrößerung des Abstandes h eingesetzt wird, steigt das Ver-Transformers such as 21 and 22 are removed and any one of the terminals of the cavity resonator 14 is energized at the desired operating frequency. The removal of the transformers results in such a mismatch at the junction that the circulator is lost and the connector becomes primarily a reciprocal transmission _{arrangement in which a TM 1} cavity is inserted. 3-6 show characteristic curves for the transmission as a function of the frequency in such a transmission he transfer arrangement for a number of significant settings of the piston 18. Thus, FIG. 3 shows the characteristic curve for the transmission as a function of the Frequency across the connector when the surface of both pistons 18 and 19 are aligned with the upper and lower limits of the openings 15, 16 and 17, respectively, so that the amount h shown in FIG. 2 is zero and the cavity resonator has an overall length of a. The cavity resonator exhibits that sharp dip or attenuation peak 31 at a frequency within the band which is indicative of a resonant circuit in series with the transmission path. This peak is responsible for the disadvantages discussed above which have been observed in known E-plane circulators. If the piston 18 is used to increase the distance h, the displacement increases

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hältnis.von h zu a an, und die Dämpfungsspitze 31 verschiebt sich zu höheren Frequenzen. Wenn h etwa gleich 0, 3a wird, tritt ein Übergangsbereich auf, in welchem die Kennlinie eine Dämpfungs spitze, beispielsweise 32, zu zeigen scheint, die einer Breitbandkennlinie 33 überlagert ist, welche typisch für einen Parallelresonanzkreis parallel zum Übertragungsweg ist. Diese Kennlinie ist in Fig. 4 gestrichelt gezeichnet, da ihre genaue Beschaffenheit schwierig mit Sicherheit festzustellen ist. Wenn h weiter zunimmt, entwickelt sich eine klar definierte Breitband-DurchlaßkennlinSe 34 gem. Fig. 5, die eine feste Kopplung und eine gute Übertragung über den Verbinder bei kleiner Dämpfung über ein breites Band wiedergibt. Bei speziellen Ausführungen scheint dieser Bereich geeignete Kennwerte für h zwischen etwa 0, 35a bis 0, 55a zu besitzen, wobei ein offenbares Optimum bei H etwa 0,4a liegt. Bei einer weiteren Zunahme von h im Bereich etwa 0, 6a ergibt sich aus der Bandpaßkennlinie eine scharfe Resonanzspitze 35 (Fig. 6) eines Parallelfesonanzkreises parallel zum Übertragungskanal. Erfindungsgemäß findet daher der Betrieb zwischen dem Übergangsbereich entsprechend Fig. 4 und dem Bereich scharfer Abstimmung entsprechend Fig. 6 statt. Aufgrund der oben angegebenen Verhältnisse bedeutet dies, daß die H-Ebenen-Abmessung des offenbleibenden Teils des Hohl-ratio.from h to a, and the damping peak 31 shifts moving to higher frequencies. When h becomes approximately equal to 0, 3a, a transition region occurs in which the characteristic curve has a Attenuation peak, for example 32, seems to show, which is superimposed on a broadband characteristic curve 33, which is typical for is a parallel resonance circuit in parallel with the transmission path. This characteristic curve is shown in dashed lines in FIG. 4 because its exact nature is difficult to determine with certainty. If h continues to increase, a well-defined one develops Broadband transmission characteristic 34 as shown in Fig. 5, which have a tight coupling and good transmission through the connector reproduces over a wide band with low attenuation. This area seems suitable for special designs To have characteristic values for h between about 0.35a to 0.55a, with an apparent optimum at H about 0.4a. at a further increase in h in the range approximately 0.6a results in a sharp resonance peak 35 from the bandpass characteristic (Fig. 6) of a parallel resonance circuit parallel to the transmission channel. According to the invention, therefore, the operation takes place between the transition region according to FIG. 4 and the Area of sharp coordination as shown in FIG. 6 instead. Due to the above-mentioned ratios, this means that the H-plane dimension of the remaining open part of the hollow

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raumresonator 14 im Bereich zwischen 0, 65 bis 0,45 der H-Eben en-Abmessung der Hohlleiter 11, 12 und 13 liegt.Space resonator 14 in the range between 0.65 and 0.45 of the H plane en dimension of the waveguides 11, 12 and 13 is.

Nachdem auf diese Weise die richtige H-Ebenen-Abmessung des Hohlraumresonators 14 bestimmt worden ist, werden die Transformatoren, beispielsweise 21 und 22, an jeden Anschluß angeschaltet. Eine Feineinstellung der Impedanzanpassung zwischen dem Blindleitwert des Hohlraumresonators und der Impedanz jedes der Hohlleiter 11, 12 und 13 erfolgt durch kleine Einstellungen eines oder beiden Kolben 18 und 19. Durch richtige'Ausbildung des Zirkulators kann der Kolben 19 weggelassen und der Kolben 18 fest auf einen Wert eingestellt werden, der experimentell für eine Ausführung gemäß Fig. 1 bestimmt wird.After the correct H-plane dimension of the Cavity resonator 14 has been determined, the transformers, e.g. 21 and 22, are connected to each terminal turned on. A fine adjustment of the impedance match between the susceptance of the cavity resonator and the Impedance of each of the waveguides 11, 12 and 13 is made by small adjustments of one or both pistons 18 and 19. By Correct design of the circulator, the piston 19 can be omitted and the piston 18 can be fixedly set to a value which is determined experimentally for an embodiment according to FIG. 1 will.

Bei einem speziellen Versuchsmodell für einen Betrieb im Bereich von 4, 5 GHz und mit Proportionen entsprechend den obigen Angaben wurde eine Isolation von 30 dB über eine Bandbreite von mehr als 10% bei einer Einfügungsdämpfung von 0, 1 dB oder eine Isolation von 20 dB über eine Bandbreite von mehr als 20 % bei einer Einfügungs dämpfung von weniger als 0, 2 dB beobachtet.In a special test model for operation in the 4.5 GHz range and with proportions corresponding to The above information was an isolation of 30 dB over a bandwidth of more than 10% with an insertion loss of 0.1 dB or 20 dB isolation over a bandwidth of more than 20% with an insertion loss of less than 0.2 dB observed.

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Claims

PATENT CLAIMS

1. E-plane waveguide circulator in the form of a Y-connector with a large number of rectangular waveguides, which converge in an E-plane connector, characterized in that a magnetically polarized Member made of gyromagnetic material is arranged in that part of the Y-connector, which the rectangular waveguides is common and that at least one conductive piston is inserted which forms a substantial part of the H-plane cross-section each of the waveguides in the connector closes so that the cavity resonator thus modified acts as a transmission oscillating circuit instead of an absorption oscillating circuit.

2. E-plane waveguide circulator according to claim 1, characterized in that the conductive piston has the H-plane dimension of the connector is reduced evenly.

3. E-plane waveguide circulator according to claim 1, characterized in that one in each of the waveguides A matching device is inserted, which matches the impedance of the waveguide to the impedance of the connector,

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4. E-plane waveguide circulator according to claim .3, characterized in that the adapter device has a step transformer in each of the waveguides.

5. E-plane waveguide circulator according to claim 1, characterized in that the Y-connector is cylindrical is shaped.

6. E-plane waveguide circulator according to claim 5, characterized in that the conductive piston at least is a cylindrically shaped piston which fits into the cylindrically shaped Y-connector and is axially set therein can be.

7. E-plane waveguide circulator according to claim 1, characterized in that the conductive limited cross section de, s connector with regard to its H-plane dimension smaller than the H-plane dimension of the cross-section each of the waveguides is.

8. E-plane waveguide circulator according to claim 7, characterized in that the H-Eb en dimension of the Connector in the range of 0.65 to 0.45 of the H-plane dimension the waveguide lies.

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