DE1958583A1 - Component for the transmission of microwaves - Google Patents
Component for the transmission of microwavesInfo
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Description
Aiaerik. Änm. No. 7Y7,8o4
eingereicht % 21.November I968Aiaerik. Um No. 7Y7.8o4
submitted % November 21, 1968
Western Microwave Laborato ries, Inc. 16845 Hicks Road, Los Gatos, California 950^0 (V.St.A.)Western Microwave Laboratories, Inc. 16845 Hicks Road, Los Gatos, California 950 ^ 0 (V.St.A.)
Bauelement zur Übertragung von MikrowellenComponent for the transmission of microwaves
Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur Übertragung von Mikrowellen mit mindestens einer Deckplatte, an die ein parallel zu ihr verlaufendes ebenes Leiterteil angrenzt. Insbesondere handelt es sich um einen Zirkulator oder einen Isolator, welcher in einem großen Bandbreitenbereich ein gutes Übertragungsverhalten zeigt.The invention relates to a component for transmission of microwaves with at least one cover plate, which is adjoined by a flat conductor part running parallel to it. In particular, it is a circulator or an isolator, which has a large bandwidth range shows good transfer behavior.
Nachstehendseien einige im folgenden Text verwendete Begriffe erläuterts -Below are some used in the following text Terms explained -
Wenn im Zusammenhang mit dem Auftreten unerwünschter Schwingungsmodes oder der Frequenzempfindlichkeit von einer Verringerung dieser Eigenschaften zu brauchbaren Grenzen die Rede ist, dann ist hiermit gemeint, daß diese Eigenschaften bis auf einen Wert herabgesetzt werden, bei welcher die minimale Isolation zwischen den Armen des Zirkulators oder Isolators auf etwa 18 dB herabgesetzt ist. Die beschriebenen Zirkulatoren und Isolatoren sind alle senkrecht zur Energieausbreitungsrichtung magnetisiert und arbeiten alle unterhalb der ferromagnetischen Resonanz.When related to the occurrence of undesirable Vibration modes or the frequency sensitivity of one Reduction of these properties to useful limits is what is meant here is that these properties are reduced to a value at which the minimum isolation between the arms of the circulator or isolator is reduced to about 18 dB. The described Circulators and isolators are all magnetized and work perpendicular to the direction of energy propagation all below ferromagnetic resonance.
Wenn von einem Ferrit die Rede ist, so ist hierunter ein quermagnetisiertes gyrotropisches oder gyromagnetisches Material verstanden. Das Wort "Ferrit" wird verwendet, weil in den meisten praktischen Fällen das verwendete Medium ferrimagnetischeeist, wie ein Ferrit oder ein'Granat.When a ferrite is mentioned, it is a transversely magnetized gyrotropic or gyromagnetic one Material understood. The word "ferrite" is used because in most practical cases the medium used is ferrimagnetic, like a ferrite or a garnet.
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• Die ersten Bandleitungszirkulatoren waren symmetrische, dreiarmige Verbindungsglieder, bei denen zwischen dem Leiterteil oder Leiterelement und den Deckplatten Ferritplatten vorgesehen waren. Man brachte dieses Bauelement über den gewünschten Frequenzbereich zum Funktionieren, indem man die ' Form des Leiterteils und der Ferrite versuchsweise änderte. Eine Betriebsbandbreite von 1Q# wurde für diese ersten Bandlei terzirkulatoren als gut angesehen.• The first strip line circulators were symmetrical, three-armed connecting links, in which ferrite plates between the conductor part or conductor element and the cover plates were intended. This component was brought over the desired one Frequency range to work by experimentally changing the 'shape of the conductor part and ferrites. An operating bandwidth of 1Q # was set for this first bandlei tercirculators considered good.
Teilweise empirische und teilweise theoretische Untersuchungen von Bandleiterzirkulatoren, welche im unteren ferromagnetischen Resonanzraode arbeiten und bei denen das Ferritverbindungsteil als Resonanzhohlraum ausgebildet war, sind von Later, Bosma, Fay, Comstock und anderen durchgeführt worden. Die durch die Güte Q bestimmte elektrische Last dieses Hohlraums wurde so niedrig wie möglich gemacht, indem man die Impedanz des Ferritübergangsteiles herabsetzte und dann ψ Transformatoren zur Anpassung dieses niederohmigen Koppelelementes an die Eirigangsirapedanz üblicher Koaxialleitungen (normalerweise 50 Ohm) benutzte.1 Eine Herabsetzung der Impedanz des Koppelelementes erhöht den in seinem Leiterteil fließenden Strom und damit die Kopplung an dem Ferrit, so daß die Güte Q des Resonanz-Ferrit-Koppelgliedes herabgesetzt wird und die Bandbreite größer wird. Bei Verwendung eines zweistufigen Transformators kommt man zu einem Zirkulator, der über einen Frequenzbereich von etwas mehr als einer Oktave arbeitet.Partly empirical and partly theoretical investigations of stripline circulators, which operate in the lower ferromagnetic resonance area and in which the ferrite connection part was designed as a resonance cavity, have been carried out by Later, Bosma, Fay, Comstock and others. The electrical load of this cavity, determined by the quality Q, was made as low as possible by reducing the impedance of the ferrite transition part and then using ψ transformers to adapt this low-resistance coupling element to the input sirapedance of common coaxial lines (normally 50 ohms). 1 A reduction in the impedance of the coupling element increases the current flowing in its conductor part and thus the coupling to the ferrite, so that the Q of the resonance ferrite coupling element is reduced and the bandwidth is greater. Using a two-stage transformer results in a circulator that works over a frequency range of just over an octave.
Die Bandbreite dieses Zirkulators wird auf etwa eine Oktave begrenzt durch 1) die Frequenzempfindlichkeit des Ferritkopplers und des J^ Transformators, 2) die unterhalb der niedrigsten Betriebsxrequenz für einen gegebenen Zirkulator auftretenden Feldverluste und 2) durch das Auftreten unerwünschter Schwingungsformen oberhalb der höchsten Betriebsfrequenz dieses Zirkulators. Die Frequenzempfindlichkeit ergibt sich, weil der Ferritkoppler ein Hohlraumresonator1 ist und weil die Viertelwellenlänge des \ Transformators nur für eine bestimmte Frequenz gilt. Daher arbeitet der ZirkulatorThe bandwidth of this circulator is limited to about an octave by 1) the frequency sensitivity of the ferrite coupler and transformer, 2) the field losses occurring below the lowest operating frequency for a given circulator, and 2) the occurrence of undesirable waveforms above the highest operating frequency of this circulator . The frequency interference occurs because the Ferritkoppler is a cavity resonator 1 and because the quarter wavelength of the \ transformer applies only to a specific frequency. Hence the circulator works
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nur in einem Frequenzband um die Mitte derjenigen Frequenz, für die er ausgelegt ist. Die Niederfrequenzfeldverluste resultieren aus den Eigenschaften des üblicherweise in Zirkulatoren verwendeten Ferritmaterials. Mit polykristallinen Granatmaterialien läßt sich ein zufriedenstellender Betrieb nicht unterhalb des Ferrormagnetismus-Resonanz-Modes unterhalb einer Frequenz erreichen, die durch die folgende Gleichung bestimmt ist:only in a frequency band around the middle of the frequency for which it is designed. The low frequency field losses result from the properties of what is usually found in circulators ferrite material used. The polycrystalline garnet materials can operate satisfactorily does not reach below the ferromagnetism resonance mode below a frequency given by the following equation is determined:
W- f I^ (4Ci W- f I ^ ( 4Ci
wobei f^„ = ungefähr die minimale Betriebsfrequenz inwhere f ^ "= approximately the minimum operating frequency in
Ms) = die Sättigungsraagnetisierung des Ferrits in GaussMs) = the saturation magnetization of the ferrite in Gauss
= das gyromagnetische Verhältnis des Ferrits ist.= is the gyromagnetic ratio of the ferrite.
Unerwünschte Schwingungsformen treten oberhalb der höchsten Betriebsfrequenz auf, weil die Abmessungen der Bandleitung und des Ferrit-Kopplers für diese hohen Frequenzen genügend groß sind, so daß sich auch andere Schwingungsformen als der gewünschte TEM-Mode ausbreiten können, so daß der Betrieb des Zirkulators gestört wird.Unwanted waveforms occur above the highest operating frequency because of the dimensions of the ribbon cable and the ferrite coupler are sufficiently large for these high frequencies, so that other forms of oscillation than the desired TEM mode, so that the operation of the circulator is disturbed.
Ausserdem wurden die vorbeschriebenen Koppler ausschließlich als dreiarmige Koppler ausgebildet, die über ein breites Frequenzband nur eine Isolation von 20 dB ergeben. Frühere Versuche zur Herstellung eines vierarmigen Kopplers führten zu Bauelementen, die schlechte Übertragungseigenschaften (geringe Isolation.) und/oder geringe Bandbreiten aufwiesen. Benötigte man einen mehrarraigen (vier oder mehr Arme) Koppler oder eine bessere Isolation als 25 dB inIn addition, the couplers described above were exclusive designed as a three-armed coupler, which results in an isolation of only 20 dB over a wide frequency band. Previous attempts to make a four-armed coupler resulted in components that had poor transmission properties (low isolation.) and / or low bandwidths exhibited. If you needed a multi-arraigen (four or more arms) coupler or better isolation than 25 dB in
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einem breiten Band, dann musste man zwei- oder mehr dreiarmige Zirkulatoren zusammenhalten und die höheren Verluste sowie die größere Kompliziertheit eines Bauelementes mit zwei oder mehr Ferrit-Kopplern in Kauf nehmen.a wide belt, then you had to have two or more three-armed ones Keep circulators together and the higher losses as well as the greater complexity of a component with accept two or more ferrite couplers.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber in einer Erhöhung der Bandbreite, Verbesserung der Isolation und Vergrösserung der Vielseitigkeit sowie in sonstigen Verbesserungen des Betriebsverhaltens eines solchen Kopplers, indem 1) die FrequenzempfindlichKeit des Zirkulators durch Verwendung eines nicht in Resonanz arbeitenden Ferrit-Kopplers ausgeschaltet oder auf brauchbare Werte herabgesetzt wird, 2) durch die Verwendung einer Mode-Unterdrückungstechniit^oder durch Entwurf aes Ferrit-Kopplers derart, daß unerv.■-insehte Schwingungsformen überhaupt nicht erst auftreten, diese Schwingungsformen von vornherein vermieden oder auf ein akzeptables Maß herabgesetzt werden-, so dai3 das Bauelement Über einen Frequenzoereieh von mehr als zwei Oktaven arbeitet, J5) ein vielarmiges Bauelement mit einem einzigen Ferrit-Koppier geschaffen wird, v.elches mindestens 20 aB Isolation über ein breites Frequenzband fir jeden zusätzlichen iirm (d.h. 20 dB für einen dreiarmigen, 40 dB für einen vierarmigen, 60 dB für einen fünfarmigen, usw.) mit nur wenigen zusätzlichen Verlusten ergibt und 4) eine innere Belastung; verwendet wird, welche für den belasteten Arm eine Isolation von 20, 40 oder mehr dE ergibt.The object of the invention is to increase the bandwidth, improve the isolation and increase the versatility as well as other improvements in the operating behavior of such a coupler by 1) the frequency sensitivity of the circulator switched off or usable by using a non-resonant ferrite coupler Values is reduced, 2) by using a mode suppression technique ^ or by designing a ferrite coupler in such a way that non-invasive waveforms do not occur at all, these waveforms are avoided from the outset or reduced to an acceptable level, see above that the component works over a frequency range of more than two octaves, J5) a multi-armed component is created with a single ferrite coupler, some of which have at least 20 aB isolation over a wide frequency band for each additional iirm (i.e. 20 dB for a three-armed, 40 dB for a four-arm igen, 60 dB for a five-arm, etc.) with only a few additional losses and 4) an internal burden; is used, which results in an isolation of 20, 40 or more dE for the loaded arm.
• Die Erfindung soll somit ein Breitband-Üoertragungs-Bauelement schaffen, wie einen Zirkulator, der nicht infolge des Ferrit-Kopplers frequenzempfindlich ist. Der Ferritkoppler soll ein Leiterteil, mindestens eine Deckplatte und mindestens eine zwischen diesen beiden angeordnete Ferritplatte aufweisen und die maximale Brandbreite, welche durch die Niederfrequenz-Feldverluste am unteren Bandende und unerwünschte Schwingungsformen am oberen Bandende begrenzt ist, soll mindestens eine Oktave betragen.The invention is thus intended to be a broadband transmission component create, like a circulator, which is not frequency sensitive due to the ferrite coupler. The ferrite coupler should have a conductor part, at least one cover plate and at least one ferrite plate arranged between these two and the maximum width that passes through the low-frequency field losses at the lower end of the band and undesired waveforms at the upper end of the band are limited, should be at least one octave.
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Weiterhin soll ein geeigneter Mode-Unterdrücker vorgesehen sein, welcher unerwünschte Schwingungsformen von vornherein verhindert oder in akzeptablen Grenzen hält, welche am oberen Ende des Bandes auftreten können. Hierdurch soll die Bandbreite auf mehr als zwei Oktaven erhöht werden. Der Ferritkoppler soll so ausgebildet sein, daß unerwünschte Schwingungsformen nicht auftreten oder so weit gedämpftwerden, daß sie das Übertragungsverhalten nicht auf einen unakzeptablen Wert verschlechtern. Das Bauelement soll 3* ^ oder η-Arme erhalten können, wobei jeder zusätzliche Arm einen zusätzlichen Isolierungsbeitrag liefert. Ein oder mehrere Arme eines n-armigen Bauelementes sollen innen abgeschlossen sein, so daß die für die betreffenden Arme erreichbare Isolierung höher wird und auch die Unterdrückung unerwünschter Schwingungsmodes verbessert wird.Furthermore, a suitable mode suppressor should be provided, which prevents undesired waveforms from the outset prevents or keeps within acceptable limits which can occur at the top of the tape. This is supposed to the bandwidth can be increased to more than two octaves. The ferrite coupler should be designed so that undesirable Wave forms do not occur or are dampened to the extent that that they do not deteriorate the transmission behavior to an unacceptable level. The component should have 3 * ^ or η arms can, with each additional arm providing an additional contribution to insulation. One or more arms of an n-arm Component should be completed on the inside, so that the insulation that can be achieved for the arms in question is higher and the suppression of undesired oscillation modes is also improved will.
Die Erfindung soll auch eine Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Sättigungsmagnetisierung, gegenüber üblichen Zirkulatoren und Isolatoren bringen. Auch soll die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des magnetischen Gleichfeldes geringer als bei bekannten Bauelementen sein. Das gleiche gilt hinsichtlich der Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen, welche das magnetische Gleichfeld und die Sättigungsmagnetisierung beeinflußen. Weiterhin soll die Symmetrie des Bauelementes nicht von so großer Wichtigkeit sein wie bei den bekannten Bauelementen.The invention is also intended to reduce the sensitivity to changes in the saturation magnetization bring usual circulators and isolators. It should also be sensitive to changes in the magnetic field DC field be less than with known components. The same is true with regard to sensitivity to Temperature fluctuations which influence the constant magnetic field and the saturation magnetization. Furthermore, the Symmetry of the component may not be of as great importance as with the known components.
Für ein gutes Betriebsverhaioen ist eine bestimmte Minimalgröße des Ferrits notwendig. Für einen dreiarmigen Koppler ist der minimale Durchmesser des Ferrits etwa zweimal so groß wie der Durchmesser des in üblichen Zirkulatoren verwendeten Ferrits. Da dies jedoch der Minimaldurchmesser ist, arbeitet der Koppler im gleichen Frequenzbereich auch mit jedem größeren Durchmesser. Somit sollen sich also bei dem erfindungsgemäßen Koppler die physikalischen Abmessungen mit nur geringer Wirkung auf das Übertragungsverhalten des Bauelementes variieren lassen. For a good operating relationship there is a certain minimum size of the ferrite is necessary. For a three-armed coupler, the minimum diameter of the ferrite is about twice as large like the diameter of the ferrite used in common circulators. However, since this is the minimum diameter, works the coupler in the same frequency range also with every larger diameter. Thus, in the case of the invention Couplers allow the physical dimensions to vary with little effect on the transmission behavior of the component.
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Die Erfindung soll ferner eine verbesserte Deckplatte schaffen, welche dafür sorgt, daß das magnetische Feld in dem gyromagnetischen oder Ferritmaterial gleichförmig ist, ohne daß sehr große Magnete benötigt werden. Weiterhin soll die maximal verarbeitbare Leistung ohne Beeinträchtigung der anderen erwünschten Eigenschaften erhöht werden. Durch die Schaffung eines Isolators mit einem inneren Lastabschluss soll auch ein Bauelement mit einer höheren mittleren verarbeitbaren Leistung geschaffen werden. Ferner soll ein neuer Aufbau zur/verbesserung der Verbindung und der Impedanzanpassung zwischen der äußeren anzuschließenden Schaltung und der in ihren Abmessungen relativ kleinen Anordnung des erfindungsgemäßen Kopplers - werden.The invention is also intended to provide an improved cover plate which ensures that the magnetic Field in the gyromagnetic or ferrite material is uniform without the need for very large magnets. Furthermore, the maximum processable performance should be achieved without impairing the other desired properties increase. By creating an insulator with an internal load termination, a component should also have a higher mean processable power created will. Furthermore, a new structure to / improve the Connection and impedance matching between the external circuit to be connected and the in its dimensions relatively small arrangement of the coupler according to the invention - are.
Diese Aufgaben werden bei einem Bauelement zur Übertragung von Mikrowellen mit mindestens einer Deckplatte, an die ein parallel zu ihr verlaufendes ebenes Leiterteil angrenzt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Leiterteil eine Mehrzahl sich nach außen verjüngender Arme aufweist und sich die Impedanz längs des Leiterteils nicht plötzlich ändert, daß über einen wesentlichen Teil der sich verjüngenden Arme ein gyromagnetische^ Teil angeordnet ist, und daß angrenzend an die Deckplatte ein Magnet zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, welch« das gyromagnetische Teil praktisch völlig durchsetzt, angeordnet ist, derart,daß das Bauelement nicht im Resonanzzustand arbeitet und die Energie durch das Leiterteil praktisch längs dessen Rändern fortgeleitet wird.These tasks are performed in a component for the transmission of microwaves with at least one cover plate, which is adjoined by a flat ladder part running parallel to it, achieved according to the invention in that the ladder part has a plurality of outwardly tapering arms and the impedance does not vary along the conductor part suddenly changes that a gyromagnetic ^ part is arranged over a substantial part of the tapered arms, and that adjoining the cover plate is a magnet for generating a magnetic field, which is the gyromagnetic field Part practically completely penetrated, is arranged in such a way that the component does not work in the resonance state and the Energy is passed through the conductor part practically along its edges.
Hierbei ist der Innenleiter einer Bandleitung so ausgebildet, daß sich von einem Mittelteil Arme nach außen erstrecken, die sioh verjüngen und deren Ränder vorzugsweise glatt ineinander übergehen. Die sich verjüngenden Arme weisen auf diese Weise keine plötzlichen Richtungsänderung«! auf, so daß sichergestellt wird, daß die Änderungsgeschwindigkeit}Here, the inner conductor of a ribbon line is designed in such a way that arms extend outward from a central part, which taper and the edges of which preferably merge smoothly into one another. In this way the tapering arms do not show any sudden change of direction «! , so that it is ensured that the rate of change}
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der Ränder des Leiterteils geringer ist als die Zirkulationsgeschwindigkeit der in einem quermagnetisierten Ferrit zirkulierenden TEM-Welle, so daß keine großen Fehl-,anpassungen auftreten, welche die Frequenzempfindlichkeit des Kopplers erhöhen und/oder die Isolation verschlechtern.the edges of the ladder part is lower than the circulation speed that in a transversely magnetized Ferrite circulating TEM wave, so that no major mismatches occur, which increase the frequency sensitivity of the coupler and / or worsen the isolation.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird innerhalb des gyromagnetischen Mediums ein praktisch gleichförmiges Feld erzeugt, indem die Deckplatte aus einem praktisch nicht magnetischen, leitenden Material hergestellt wird, welches einen ferromagnetischen Teil aufweist, beispielsweise aus kaltgewalztem Stahl, der in Berührung mit praktisch der gesamten angrenzenden Oberfläche des gyromagnetischen Mediums steht und dieses überdeckt. Die gegenüberliegende Oberfläche des ferromagnetischen Teils befindet sich in Kontakt mit der Oberfläche eines das Magnetfeld erzeugenden Magneten und hat die gleiche Ausdehnung wie dieser.In a preferred embodiment of the invention becomes a practical one within the gyromagnetic medium Uniform field generated by making the cover plate from a practically non-magnetic, conductive material which has a ferromagnetic part, for example made of cold-rolled steel, which is in contact with practically the entire adjacent surface of the gyromagnetic Medium stands and covers it. The opposite surface of the ferromagnetic part is located comes into contact with the surface of a magnet generating the magnetic field and has the same extent as this.
Eine weitere Abwandlung der Erfindung besteht zur Verbesserung der maximal zu verarbeitenden Leistung darin,daß das gyromagnetische Medium aus zwei koplanar verlaufenden Bestandteilen aus unterschiedlichem Material ausgebildet ist. Der erste Bestandteil des gyromagnetisehen Mediums überdeckt einen Teil des Innenleiterteils, intern die Energie normalerweise in Vorwärtsrichtung fließt, und das Material dieses Bestandteiles ist so gewählt, daß optimale Vierte für die gewünschte Bandbreite, die Spitzenleistung und die Einspeisungsverluste in Vorwärtsrichtung der Energieausbreitung erreicht werden. Der zweite Bestandteil des gyromagnetischen Mediums überdeckt denjenigen Teil des Innenleiterteils, welcher dem Flußweg der Energie in Rückwärtsrichtung entspricht^ und besteht aus einem Material, das so ausgewählt ist, daß die gewünschte. Isolation in Rückwärtsrichtung erreicht wird.Another modification of the invention is to improve the maximum processing power is that the gyromagnetic medium formed from two coplanar components made of different materials is. The first component of the gyromagnetic medium covers part of the inner conductor part, internally the energy normally flows in the forward direction, and the material this component is chosen so that optimal fourth for the desired bandwidth, peak power and injection losses can be achieved in the forward direction of energy propagation. The second component of the gyromagnetic Medium covers that part of the inner conductor part which corresponds to the flow path of the energy in the reverse direction ^ and consists of a material selected so that the desired. Isolation in the reverse direction is achieved.
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Die Erfindung schafft somit einen Mikrowellen-Breitband-Zirkulator oder - Isolator in der Bandleitungs- oder Mikrostreifentechnik, dessen Bandbreite unter Verwendung üblicher polykristalliner ferrimagnetischer Materialien größer als eine Oktave ist, der jedoch bei bestimmten Ausführungsformen des Ferrit-Kopplers oder bei Verwendung eines geeigneten Mode-Unterdrückers eine Bandbreite von über zwei Oktaven erreicht. Insbesondere ist das Innenleiterteil eben und hat eine Mehrzahl nach außen sich verjüngender Arme, die je einen Anschluß darstellen. Ein ferromagnetisches oder gyromagnetische^ Material überdeckt einen wesentlichen Teil des Innenleiterteils einschließlich mindestens aller seiner Teile, die als Eingangsoder Ausgangsanschluß dienen. Die Energie breitet sich längs de» Ränder des Innenleiterteils aus, und diese Ränder sind so gestaltet, daß sie keine scharfen Änderungen aufweisen, so daß keine plötzlichen Impedanzänderungen im inneren Leiterteil auftreten. Es werden ferner verschiedene Methoden zur Unterdrückung unerwünsenter Schwingungsmodes vorgesehen,einschließlich eines inneren Abschlusses einer der Arme, ferner durch Ausbildung von Schlitzen in der Deckplatte, welche in Richtung des Stromes des gewünschten Ausbreitungsmodes verlaufen. Eine Gleichförmigkeit des Magnetfeldes innerhalb des Bauelementes bei Verwendung relativ kleiner Magnete wird durch eine Deckplatte erreicht, von der sich ein Teil in Kontakt mit dem Magnet befindet und bei der das gyromagnetische Medium aus einem hoch permeablen Material gebildet ist,während der Rest der Deckplatte aus einem nichtmagnetischen Material besteht. Die verarbeitbare maximale Leistung läßt sich noch erhöhen,wenn man das gyromagnetische Medium aus zwei verschiedenen Materialien aufbaut, die jeweils hinsichtlich der Vorwärtsausbreitung und Rückwärtsdämpfung optimal gewählt sind, während die zu verarbeitende mittlere Leistung sich durch eine in geeigneter Weise ausgebildete innere Belastung verbessern läßt.The invention thus provides a microwave broadband circulator or - Insulator in the strip line or microstrip technology, the bandwidth of which using conventional polycrystalline ferrimagnetic materials is larger than an octave, but in certain embodiments of the Ferrite coupler or, if a suitable mode suppressor is used, a bandwidth of over two octaves can be achieved. In particular, the inner conductor part is flat and has a plurality of outwardly tapering arms, each with a connection represent. A ferromagnetic or gyromagnetic ^ material covers a substantial part of the inner conductor part including at least all of its parts that serve as input or output connection. The energy spreads lengthways de »edges of the inner conductor part, and these edges are designed so that they have no sharp changes, so that no sudden changes in impedance in the inner conductor part appear. Various methods of suppressing undesirable vibrational modes are also provided, including an inner termination of one of the arms, further by forming slots in the cover plate, which run in the direction of the current of the desired propagation mode. A uniformity of the magnetic field within of the component when using relatively small magnets is achieved by a cover plate, part of which is in Contact with the magnet is located and in which the gyromagnetic medium is formed from a highly permeable material while the rest of the cover plate is made of a non-magnetic material. The maximum output that can be processed can still be increase when you consider the gyromagnetic medium from two different ones Materials builds up, each in terms of forward propagation and backward attenuation are optimally selected, while the average power to be processed is determined by a can improve properly trained internal stress.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .Further features of the invention emerge from the subclaims .
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Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungabeispielen näher erläutert. Es zeigt:The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments. It shows:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil eines dreiarmigen Bandleitungszirkulators, und zwar auf eine Ferritscheibe, auf der eine ebene Leiteranordnung aufgebracht ist.Fig. 1 is a plan view of part of a three-armed Ribbon line circulator, on a ferrite disk which a flat conductor arrangement is applied.
Fig. 2 eine die Konstruktion der Leiteranordnung erläuternde AnsichtFig. 2 is a view explaining the construction of the ladder assembly
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein der Figur 2 ähnliches Bauteil, jedoch mit einer asymmetrischen gekrümmten Leiteranordnung3 shows a plan view of a component similar to FIG. 2, but with an asymmetrical, curved conductor arrangement
Fig. 4a eine Draufsicht auf eine ebene Leiteranordnung auf einer Ferritscheibe, bei welcher die Kante jedes Armes aus zwei hintereinander geschalteten Leitungsstücken unterschiedlicher Krümmung gebildet wird,Fig. 4a is a plan view of a planar conductor arrangement on a ferrite disc, in which the edge of each arm two line sections with different curvatures connected in series are formed,
Fig. 4b eine der Figur a entsprechende Darstellung, bei welcher jede Kante der Leiteranordnung aus zwei unterschiedlichen Krümmungen besteht,4b shows a representation corresponding to FIG. A, in which each edge of the conductor arrangement consists of two different curvatures,
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein dreiarmiges ebenes Schaltungsteil nach der Erfindung,Fig. 5 is a plan view of a three-armed planar circuit part according to the invention,
Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch einen Bandleitungszir kulator nach der Erfindung längs der Linie 2-2 in Figur 1,Fig. 7 is a vertical section through a Bandleitungszir kulator according to the invention along the line 2-2 in Figure 1,
Fig. 8 einen senkrechten Schnitt durch einen Mikrobandleitungszirkulator nach der Erfindung entsprechend der Schnittlinie 2-2 von Figur 1,FIG. 8 shows a vertical section through a microstrip line circulator according to the invention according to the section line 2-2 of FIG. 1;
Fig. 9 eine auseinandergezogene Darstellung eines Bandleitungszirkulators mit einer Ausbildungsform eines Schwingungimode-UnterdrückerFig. 9 is an exploded view of a ribbon line circulator having one embodiment of a vibration mode canceller
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ΐ958583 40 ΐ958583 40
Fig. 10 eine vergrösserte Draufsicht auf eines der ebenen Grundteile der Figur 9 zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Schwingungsraode-ynterdrückers,10 shows an enlarged plan view of one of the planar ones Basic parts of Figure 9 to illustrate the structure of a Vibration suppressor,
Fig. 11 eine Draufsicht auf einen Zirkulator mit einem anders ausgebildeten Schwingungsmode-Unterdrücker, der in der Ebene aber ausserhalb der Leiteranordnung vorgesehen ist,Fig. 11 is a plan view of a circulator with a differently designed vibration mode suppressor, which is provided in the plane but outside the conductor arrangement,
Fig. 12 eine Draufsicht auf einen Teil eines vierarmigen Bandleitungs- oder Hikrostreifenzirkulators, und zwar eine Ferrit scheibe, auf der eine ebene gekrümmte Leiteranordnung vorgesehen ist,Figure 12 is a top plan view of a portion of a four-armed ribbon or hiccrope circulator, namely a ferrite disc on which a flat, curved conductor arrangement is provided,
Fig. 13 eine Draufsicht auf ein vierarmiges Schaltungsteil nach der Erfindung,13 shows a plan view of a four-armed circuit part according to the invention,
Fig. 14a eine andere Ausführungsform eines Bauelementes mit n-Armen,14a shows another embodiment of a component with n-arms,
Fig. 14b eine weitere, allgemeinere Ausführungsform eines mehrarmigen Bauelementes,14b shows a further, more general embodiment of a multi-armed component,
Fig. 15 eine Draufeicht auf ein dreiarmiges Bauelement, j bei dem ein Arm innen abgeschlossen ist,15 is a plan view of a three-armed component, j in which one arm is closed on the inside,
Fig. 1% eine weitere Ausführungsform eines dreiareigen Bauelementes, bei dem ein Arm innen abgeschlossen ist,Fig. 1% a further embodiment of a triple component in which one arm is closed on the inside,
Fig. 18 eine Draufsicht auf ein vierarmigeβ Bauelement, bei dem ein Arm innen abgeschlossen ist,18 shows a plan view of a four-armed component, in which one arm is locked inside,
Fig. 19 eine Draufsicht auf «in· andere Ausführungsfor« •ines vierarmigen Bauelement··, bei ά·η ebenfalls «in Am innen abgeschlossen ist,19 shows a plan view of another embodiment of a four-armed component, which is also closed on the inside at ά-η,
0 0 98 2 9/08 te0 0 98 2 9/08 te
Fig. 20 eine Darstellung der übersprechdämpfung, der Einspeisungsverluste und der Welligkeit über der Frequenz für ein Bauelement der in den Figuren 1 und 7 dargestellten Art,Fig. 20 is an illustration of the crosstalk attenuation, the Infeed losses and the ripple versus frequency for a component of the type shown in Figures 1 and 7,
Fig. 2Ia9 b und c Darstellungen der gleichen Parameter für ein Bauelement entsprechend Figur 9,Fig. 2Ia 9 b and c representations of the same parameter for a device corresponding to FIG 9,
Fig. 22 die entsprechenden Darstellungen für ein Bauelement der in Figur 18 dargestellten Art,22 shows the corresponding representations for a component of the type shown in FIG. 18,
Fig. 23 die entsprechenden Parameter für ein Bauelement der in Figur 17 gezeigten Art,23 shows the corresponding parameters for a component of the type shown in Figure 17,
Fig. 24a und 24b erläuternde Diagramme,Figs. 24a and 24b are explanatory diagrams;
Fig. 25 eine Draufsicht auf ein dreiarmiges Bauelement nach der Erfindung, bei dem ein Arm innen abgeschlossen ist, und bei dem das gyromagnetische Bauteil und die Last zur Verbesserung des Verhaltene bei Maximalleistung und bei mittlerer Leistung25 shows a plan view of a three-armed component according to the invention, in which one arm is closed on the inside, and in which the gyromagnetic component and the load to improve the behavior at maximum power and at medium power
ι -ι -
> abgewandelt sind,> are modified,
; Fig. 26 einen Schnitt durch das Bauelement nach Fig.25,; FIG. 26 shows a section through the component according to FIG. 25,
Fig. 27 eine Darstellung einer typischen Feldverteilung27 shows a representation of a typical field distribution
' an dar Kante des Bauelementes ,'at the edge of the component,
ι ■ . ■·ι ■. ■ ·
Fig. 28 eine Draufsicht auf eine verbesserte Ausführungsform des ebenen Aufbauteils nach der Erfindung,Figure 28 is a top plan view of an improved embodiment of the planar structural part according to the invention,
Fig* 29 einen Schnitt längs der Linie 29-29 in Fig. 28 endFIG. 29 shows a section along the line 29-29 in FIG. 28 end
; Fig. 30 eine Draufsicht auf ein dreiarmiges Bauelement sur Veranschaulichung einer verbesserten Anschaltung an aussere Schaltungskreiee.; Fig. 30 is a plan view of a three-arm device sur illustration of an improved connection to outer Schaltungskreiee.
* 009829/0918* 009829/0918
Im folgenden ist die Ausbreitung einer TEM-Welle in einem ideal quermagnetisierten gyromagnetisehen Medium theoretisch abgeleitet. Gleichung 21 zeigt das Ergebnis dieser Berechnung, und in Fig. 6 ist die Gleichung 21 für ein idealisiertes ferrimagnetisches Material aufgetragen, das die Dielektrizitätskonstante und die Sättigungsmagnetisierung von Yttrium-Eisen-Granat aufweist. Aus Gleichung 21 ist ersichtlich, daß für eine gegebene Sättigungsmagnetisierung des gesättigten Ferrits oder anderen gyromagnetisehen Mediums die TEM-Welle das Bestreben hat, mit einer bestimmten Geschwindigkeit ^1- zu zirkulieren, wobei θ der Zirkulationswinkel für einen gegebenen Bogen der Länge y ist. Bei einer vorgegebenen Sättigungsmagnetisierung zirkuliert die TEM-Welle, wenn die Randbedingungen dies zulassen, um den Winkele Werden die Randbedingungen so gewählt, daß die TEM-Welle nur um den Winkel θ zirkulieren kann, wenn nämlich die Schaltung für θ < θ1 ausgelegt wird, dann hat der grösste Teil der Energie der TEM-Welle das Bestreben, sich am Rande des Schaltungselementes zu konzentrieren. Der Zusammenhang dieser Erscheinung mit der Erfindung wird noch näher erläutert. In the following, the propagation of a TEM wave in an ideally transversely magnetized gyromagnetic medium is derived theoretically. Equation 21 shows the result of this calculation, and in FIG. 6 equation 21 is plotted for an idealized ferrimagnetic material having the dielectric constant and the saturation magnetization of yttrium-iron-garnet. From equation 21 it can be seen that for a given saturation magnetization of the saturated ferrite or other gyromagnetic medium, the TEM wave tends to circulate at a certain speed ^ 1 - , where θ is the angle of circulation for a given arc of length y. For a given saturation magnetization, the TEM wave circulates, if the boundary conditions allow to the Winkele be chosen, the boundary conditions so that the TEM wave can θ circulate only around the angle, namely, when the circuit for θ <θ 1 designed is then the major part has to concentrate the energy of the TEM wave tends located on the edge of the circuit element. The connection between this phenomenon and the invention will be explained in more detail.
Es sei nun angenommen, daß eine TEM-Welle auf ein Stück Ferrit auftrifft, welches durch ein magnetisches Gleichfeld senkrecht zur Ausbreitungerichtung der TEM-Welle bis zur Sättigung Tormagnetisiert ist. Ferner sei angenommen> daß die Welle nur als TEM-Welle: auftreten kann, d.h. sich nur als TEM-Welle in Fer rit ausbreiten kann. Der Ferrit sei als gesättigt und verluetfrei angenommen. Das eagnetieche Gleichfeld verlaufe in «-Richtung. Zur Zeit t's 0 breite sich die TEM-Welle in y-Richtung aus und ihr magnetisches Wechselfeld (H) verlaufe in x-Richtung (siehe Figuren 24a und 21Ib). It is now assumed that a TEM wave hits a piece of ferrite which is gate-magnetized by a constant magnetic field perpendicular to the direction of propagation of the TEM wave up to saturation. It is also assumed> that the wave can only occur as a TEM wave, ie can only propagate as a TEM wave in ferrit. The ferrite is assumed to be saturated and free of loss. The constant field run in the "direction. At time t 0's width, the TEM wave in the y-direction and its magnetic alternating field (H) is proceeding in the x direction (see Figures 24a and 2 1 Ib).
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Diese Figuren veranschaulichen schematisch die Zirkulation der Welle in einem quermagnetisierten Ferrit. Wenn B · rechtwinklig zum Magnetfeld BO (tfiehe Figur 24a) verläuft, dann zirkuliert die TEM-WeHe θ Grad, wenn sie sich längs des gekrümmten Weges von der Länge y1 bewegt. Die Berechnungsart für Θ1 und y1 ist nachfolgend angeführt.These figures schematically illustrate the circulation of the wave in a transverse magnetized ferrite. If B · runs at right angles to the magnetic field BO (see FIG. 24a), then the TEM-axis θ degrees circulates as it moves along the curved path of length y 1 . The type of calculation for Θ 1 and y 1 is shown below.
(1) H s Sx H bei y = 0 , t = 0(1) H s S x H at y = 0, t = 0
Die verwendeten Bezeichnungen sind in Anlehnung an die im Quellenverzeichnis unter Funkt 4 aufgeführte Literaturstelle gewählt.The designations used are based on the literature cited in the list of sources under point 4 chosen.
Es sei nun daran erinnert, daß diese linear polarisierte TEM-WeHe aus zwei gegenläufig rotierenden, zirkularpolarisierten TEM-Wellenanteilen zusammengesetzt gedacht werden kann, welche nicht in Ausbreitungsrichtung, sondern um das magnetische Gleichfeld rotieren, d.h. die Rotationsachse, welche sich mit der Welle bewegt, verläuft parallel zum magnetischen Gleich feld.It should now be remembered that this linearly polarized TEM-WeHe consists of two counter-rotating, circularly polarized TEM wave components can be thought of as being composed, which do not rotate in the direction of propagation, but around the constant magnetic field, i.e. the axis of rotation, which is moved with the shaft, runs parallel to the magnetic constant field.
(1). H1. = (Sx - j Sy) § β"*1**·- r " rechts (1). H 1 . = (S x - j S y ) § β "* 1 ** · - r " on the right
(3) H1 = (Sx + j Sy) I e-J*1*1» λ * iinks Okulierend(3) H 1 = (S x + j S y ) I eJ * 1 * 1 » λ * ooculating to the left
(4) wobei fc_ ω /ε /μιι - juia — »/εμ *(4) where fc_ ω / ε / μιι - juia - »/ εμ *
(5) und B1 = ω /ε /μιι + JyI2' - » (5) and B 1 = ω / ε / μιι + JyI 2 '- »
Der Grund für die Verwendung des Ausdruckes f anstelle y im Ausdruck für die Phase wird noch erläutert.The reason for using the expression f instead of y im Expression for the phase will be explained later.
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AMAT THE
(6) S =(6) S =
Hr +H r +
-1 - 1
ί) 'ί) '
Diese Gleichung stellt eine linear polarisierte TEM-Welle dar, welche bei ihrer Ausbreitung zirkuliert. Hierbei ist y1 anstelle von y verwendet, weil sich die Richtung von y1 kontinuierlich ändert. Die Richtung von H gegenüber seiner Richtung bei y1 = ergibt sich aus dem AusdruckThis equation represents a linearly polarized TEM wave that circulates as it propagates. Here y 1 is used instead of y because the direction of y 1 changes continuously. The direction of H versus its direction at y 1 = results from the expression
(7) tan θ(7) tan θ
= -tan (= -tan (
(8) Θ - ί-(8) Θ - ί-
Ο y' , mit y' = Fogenlänge.Ο y ', with y' = arc length.
Die Tatsache, daß der Ferrit nur die Ausbreitung von TEM* Wellen erlaubt, ist sehr wichtig.The fact that the ferrite only prevents the propagation of TEM * Allowing waves is very important.
Da es sich also bei der Welle um eine TEM-Welle handelt, die sich in der Richtung y* ausbreitet, liegen nur di· magnetischen Wechselfeldkomponenten H und H vor. Daher vereinfacht sich die GleichungSince the wave is a TEM wave that propagates in the y * direction, only magnetic alternating field components H and H are present. Hence simplified the equation
(9) 1*H -(9) 1 * H -
.H) + «*cilfl = 0.H) + «* cilfl = 0
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A I A I
(11) V-, i s ο für eine TEM-Welle.(11) V-, i s o for a TEM wave.
1 >1>
ω ω»ω ω »
ω0* - ωω 0 * - ω
~ (γ) (4 τ Ms), wobei (Ί ν Ms) die Sättigungmagneti sierung des Ferrites ist.~ (γ) (4 τ Ms), where (Ί ν Ms) is the saturation magneti sation of the ferrite is.
, wobei HQ das innere magnetische Feld ist und, where H Q is the internal magnetic field and
(16) t das gyromagnetieohe Verhältnis für den Ferrit ist«(16) t is the gyromagnetic ratio for the ferrite "
Durch Einsetsein der Gleichung (2) in Gleichung (10) erhältBy inserting the equation (2) into the equation (10)
und durch Einsetzen der Gleichungen (12) und (13) In Gleichung (IT) »ieibt sich and by substituting equations (12) and (13) into equation (IT) »i becomes
1/21/2
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(19)(19)
In gleicher Weise ergibt sichIn the same way it results
ω _ ι. ωω _ ι. ω
durch Einsetzen von (18) und (19) in Gleichung (8) ergibt sichsubstituting (18) and (19) into equation (8) gives
(20) Θ' s(20) Θ 's
2 -2 -
oder in Differentialformor in differential form
(21) d9j_
dy, -(21) d9j_
dy , -
ω0+ ωω 0+ ω
Ein bedeutender Sonderfall liegt vor für ω> >ω ,ωΜ< Hieraus folgtThere is an important special case for ω>> ω, ω Μ < It follows from this
(22) Θ» =(22) Θ » =
f = f =
oder in Differentialformor in differential form
(23)(23)
Für ω>>ωο,ωΜ ist also die Zirkulation unabhängig von der Frequenz. Der Realteil der Gleichung (21) ist in Figur 8 über der Frequenz aufgetragen. For ω >> ω ο , ω Μ the circulation is independent of the frequency. The real part of equation (21) is plotted against frequency in FIG.
Figur 6 ist eine Darstellung der Gleichung (21) für die Zirkulation ~f pro Zoll über der Frequenz. Sie ist aufgetragen für eine TEM-Welle in einem Ferrit mit JfM = GHz , fo.= 2*5 GHe Figure 6 is a plot of equation (21) for circulation ~ f per inch versus frequency. It is plotted for a TEM wave in a ferrite with JfM = GHz , fo. = 2 * 5 GHe
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und ε =15.2. Der Ferrit sei als verlust frei und gesättigt angenommen. Die Kurve ist eine Darstellung des Realteils 'der Gleichung (21) mit den Parametern fM = 2 ir γ 4irMs,and ε = 15.2. The ferrite is assumed to be loss-free and saturated. The curve is a representation of the real part of the Equation (21) with the parameters fM = 2 ir γ 4irMs,
γ s gyromagnetisches Verhältnis = 2,8 MHz/Oe für einen Yttriumeisengranatγ s gyromagnetic ratio = 2.8 MHz / Oe for one Yttrium iron garnet
4itMs = Sättigungsmagnetisierung für 178Ο Oe für Yttriumeisen granat4itMs = saturation magnetization for 178Ο Oe for yttrium iron garnet
fo = ferromagnetische Resonanzfrequenz = γ Ηfo = ferromagnetic resonance frequency = γ Η
H = magnetisches Gleichfeld innerhalb des Ferrits.H = constant magnetic field within the ferrite.
In Fig. 1 ist eine Ferritscheibe 10 dargestellt, auf der ein ebenes Bauteil 12 angeordnet ist. Dieses Bauteil hat einen Mittelteil 14 und bei der in Fig.l dargestellten dreiarmigen symmetrischen Ausführungsform drei Arme 16, 18 und 20, die' in gleichen Winkelabständen nach aussen ragen. Die Kanten 22 des Bauteiles, welche die Arme miteinander verbinden, haben die Form gekrümmter Linien, deren Krümmung so gewählt ist, daß d§> kleiner als dQ' längs der Gesamtlänge der Kante ist. Das \dy erfordert, daß das Bauteil über dem Ferrit keine plötzlichen Richtungsänderungen hat, d.h. keine so starken Änderungen, daß die übersprechdämpfung unzureichende Werte annimmt oder daß die Frequenzempfindlichkeit so groß wird, daß die Trennung oder die Einspeisungsverluste sich auf unbrauchbare Werte verschlechtern.In Fig. 1, a ferrite disk 10 is shown on which a flat component 12 is arranged. This component has a central part 14 and, in the three-armed symmetrical embodiment shown in FIG. 1, three arms 16, 18 and 20 which protrude outward at equal angular intervals. The edges 22 of the component, which connect the arms to one another, have the shape of curved lines, the curvature of which is chosen such that d§> less than dQ ' along the entire length of the edge. The \ dy requires that the component above the ferrite does not have any sudden changes in direction, i.e. no changes so great that the crosstalk attenuation assumes inadequate values or that the frequency sensitivity becomes so great that the separation or the feed losses deteriorate to unusable values.
Obgleich jeder Kurvenverlauf innerhalb der vorstehenden Definitionsgrenzen ein zufriedenstellendes Arbeiten ergibt, ha-> ben sich besonders gute Erfolge gezeigt, wenn die Kanten des" Bauelementes für einen symmetrischen dreiarmigen Zirkulator ■ Although every curve progression within the above definition limits results in satisfactory work, particularly good results have been shown when the edges of the " component for a symmetrical three-armed circulator ■
009829/0918009829/0918
-W--W-
AaAa
Kreisbögen mit einem Durchmesser von etwa dem 1,7-fachen der Ferritscheibe sind. Eine genaue Konstruktionsangabe für ein solches Bauelement ist in Figur 2 zu finden, wo die Ferritscheibe einen Durchmesser von eirvwSoll hat. Andere Kurven innerhalb der angegebenen Krümmungsdefinitionen verlaufen elliptisch, hyperbolisch, parabolisch, gerade oder längs irgendeiner Linie innerhalb der eingangs angegebenen Grenzen; auch Kombinationen solcher Kurven, wie es beispielsweise in Figur k dargestellt ist und nachfolgend beschrieben wird, sind möglich.Are circular arcs with a diameter of about 1.7 times the ferrite disc. A precise design specification for such a component can be found in FIG. 2, where the ferrite disk has a diameter of eirvwSoll. Other curves within the specified curvature definitions are elliptical, hyperbolic, parabolic, straight or along any line within the limits specified at the beginning; Combinations of such curves, as shown, for example, in FIG. k and described below, are also possible.
Die Eingangsimpedanz des Ferritkopplers kann für irgendeinen gängigen Wert Z ausgelegt werden, indem man die üblichen Impedanzberechnungen für Bandleitungen oder Mikrostreifenleitungen zugrunde legt. Nach der Festlegung von Z kann die Dicke des Bauelementes, die Dicke und die Dielektrizitätskonstante des Ferrits und die Breite des Bauelementes am Punkt 24 (Figur 1) bestimmt werden.The input impedance of the ferrite coupler can be for any common value Z can be interpreted by doing the usual impedance calculations for ribbon lines or microstrip lines is based on. After defining Z the thickness of the component, the thickness and the dielectric constant of the ferrite and the width of the component at point 24 (Figure 1) can be determined.
Die Eingangsimpedanz ZQ kann so gewählt werden, daß sie der Impedanz äusserer Schaltungsteile oder Übertragungsleitungen angepasst ist, sie kann jedoch auch so gewählt werden, daß sie die Eingangs impedanz eines Transformators zwischen dem Ferrit}-koppler und äußeren Schaltungselementen oder Übertragungsleitungen anpasst.The input impedance Z Q can be chosen to match the impedance of external circuit parts or transmission lines, but it can also be chosen to match the input impedance of a transformer between the ferrite coupler and external circuit elements or transmission lines.
Wenn auch in Figur 1 eine Ferritscheibe dargestellt ist, so wird doch nur der in unmittelbarer Nachbarschaft des Bauteiles und zwischen diesem und dem ebenen Unterteil befindliche Teil des Ferrites für die Zirkulation ausgenutzt, wobei der übrige Teil des Ferrites eine beliebige Formgebung haben kann. '' oder auch völlig entfallen kann.Although a ferrite disk is shown in FIG. 1, only the part of the ferrite located in the immediate vicinity of the component and between this and the flat lower part is used for the circulation, whereby the remaining part of the ferrite can have any shape. '' or can be omitted entirely.
Im Gegensatz zu üblichen Ferritzirkulatoren und Isolato- | ren, bei welchen die verwendeten. Ferritscheiben nur den mittleren Teil oder Koppelteil dee Bauelemente· überdecken, Ober- *In contrast to conventional ferrite circulators and isolato- | ren, in which the used. Ferrite disks only cover the middle part or coupling part of the components, upper *
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deckt bei der Erfindung, wie in Figur .1 und den übrigen Figuren dargestellt ist, der Ferrit praktisch das gesamte Bauelement einschliesslich seiner Arme, welche die Eingangs- und Ausgangs~ verbindungen darstellen. Insbesondere Überdeckt der Ferrit, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, diejenigen Ränder des Bauteiles, längs deren die Energie sich ausbreitet.In the invention, as shown in FIG. 1 and the other figures, the ferrite covers practically the entire component including his arms, which are the entrance and exit ~ represent connections. In particular, as will be explained in more detail below, the ferrite covers those edges of the Component along which the energy spreads.
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T/enn einer der Arme des ZirKulators inn on abgeschlossen istj so daiü eine Last gebildet ;,ird, dann braucht; der Ferrit sich nicht über diesen Teil cies Bauelementes hirxauszuerstrecken, wie anhand der anderen Figuren nocn erläutert wird. Vorzugsweise rabt der Ferrit leicht Über den Rand des Bauteiles hinaus, damit die Randbedingungen für das Innere des Bauelementes sicher erfüllt sind. T / hen one of the arms of the circulator inn on completed ISTJ as a load daiü formed;, ill, then you need; the ferrite does not extend over this part of this component, as will be explained with reference to the other figures. Preferably ra b ferrite t slightly above the edge of the component addition, so that the boundary conditions are fulfilled safely to the interior of the component.
Fig. ν zei^t ein as;, inmetriscnes Bauteil, für gute Betriebseigenschaften ist eine ^-mmetrie nicht erforaerj icn, sofern die vorerwähnten Grenzen für uic Ausbildung des .Bauteiles eingehalten '..erden. Fi .^ur j, iä:st eint. Ferritscheibe ...nci ein Bauteil I^ r.:it einem Mitte il teil I^ und arei Lieh /erj::n,_,exiden Aj.men 1/, "v-j .aid 21 erKennen. Das Bauteil 1> v:ird. aus zwei Bögen £j> und ί^ une .·■.inoi.i ceraaen f-.and '-i( /~ bildet. Im Rahmen der Erfindung ;;lnu ueoooh nocxi ,itle andere asymmetrische Formen möglich.Fig. Ν shows an as ;, inmetrical component, for good operating properties, a ^ -mmetry is not required, provided that the aforementioned limits for the formation of the "component" are adhered to. Fi. ^ Ur j, iä: st unites. Ferrite ... nci a component I ^ r.:it a mid-il in part I ^ and arei Lieh / erj: n, _, exiden Aj.men 1 / recognize "vj .AID 21 Component 1> v.: ird. from two arcs £ j> and ί ^ une. · ■ .inoi.i c eraaen f-.and '-i (/ ~ forms. Within the scope of the invention ;; lnu u eoooh nocxi, itle other asymmetrical forms are possible.
Figur 4a stellt eine .h^sfuhr^n^form aeü Bauteiles aar, bei α em von einem Mittelteil y- ui-me ---,O3 ^2. und 44 v/egra;_>:n. Die Endabschnitte 40 der .r;ne sind von gleicher Ereite.Die Ränder 4b des Bauteiles, welche die Arme miteinander verbinden, sind Kreisbögen. Jedoch könnexi die 4c und 4o auch -irgendeiner anderen oekrümmten Linie folgen und ausserdem aus mehr als sv/ei gekrümmten Liniex., die ineinander üter.-ehen, gebildet sein, sofern an den Rändern ,-:eine plötzlichen Ricntungsänderungen auftreten und -r_-r kleiner als -—-t ist.Figure 4a shows a .h ^ sfuhr ^ n ^ form aeü component aar, with α em of a middle part y- ui-me ---, O 3 ^ 2. and 44 v / egra ; _>: n. The end sections 40 of the .r; ne are of the same Ereite. The edges 4b of the component, which connect the arms to one another, are arcs of a circle. However, 4c and 4o also -irgendeiner other o ekrümmten line könnexi follow and also from more than sv / ei curved line X, the inter-address üter. be formed, provided on the edges, -. A sudden Ricntungsänderungen occur and -r_ -r is less than -—- t .
Figur 4b zeigt eine der Fi^ur 4a ähnliche .usfuhr.ung.sform, bei welcher sich an erste Kurvenstücke ky zweite KurvenstücKe '^l anschließen.Figure 4b shows one of the Fi ^ ur 4a similar .usfuhr.ung.sform in which adjoin first corner pieces ky second curve pieces' ^ l.
Figur ρ zeigt eine schematische Draufsicnt auf ein ebenes Bauteil, bei welchem die Energie in den Arm 1 in Pfeilrichtung eingespeist wird. Diese Energie sucht nun im Ferrit mit ei-Figure ρ shows a schematic plan view of a plane Component in which the energy is fed into the arm 1 in the direction of the arrow. This energy is now looking for in the ferrite with a
dfe'
.ner Winkelgeschwindigkeit von -r-f gemäß Gleichung 21 und der
in Figur 6 dargestellten Kurve zu zirkulieren. Das Bauteildfe '
.ner angular velocity of -rf according to equation 21 and the curve shown in Figure 6 to circulate. The component
0 0 9 8 2 9/0918 B4nnfi 0 0 9 8 2 9/0918 B4nnfi
ist abc ι* üo ausgebildet, dass sich die Richtung der kanten nur Im Ma3e -τ— ändern, wobei -j— & -r—, ist, wie bereits ab geleitet worden ist (wenn die Ränder des Bauteiles wie inis abc ι * üo that the direction of the edges change only in the measure -τ-, where -j- & -r- is, as has already been led from (if the edges of the component as in
dö 9 Fi0Ur ei Kreisbögen sind, dann ist -y - — wobei θ und 3- in FiUUr ΐ, -üefinlert sind. Für die Schaltung nach Figur 2 giltdö 9 Fi 0 Ur ei are arcs, then -y - - where θ and 3- are defined in FiUUr ΐ, -. The following applies to the circuit according to FIG
Demzufolge konzentriert sich die Energie, die mit einer höheren Geschwindigkeit, als das Bauteil es erlaubt, zu zirkulieren sucht, am Rand des Bauteiles. Somit befindet sich der grösste Teil der Energie nahe dem Rand, und in Richtung senkrecht zum Rand ergibt sich ein Energieabfall. As a result, the energy that tries to circulate at a higher speed than the component allows, is concentrated on the edge of the component. Thus, most of the energy is close to the edge, and there is an energy drop in the direction perpendicular to the edge.
Daher wird fast uie gesamte in den i-.rm eingespeiste Energie zum Arm 2 übertragen, wobei nur sehr wenig unmittelbar in den Arm 5 gelangt, ',.enn der Durchmesser des Ferrits genügend groß für einen vorgegebenen Ferrit ^RlMs ist (typischerweise mehr als der zweifache Durchmesser des bei üblichen Zirkulatoreri verwendeten Ferrits), dann ist die Energieübertragung unmittelbar vom Arm 1 zum Arm 2 nur sehr klein, tvpischerweise wesentlich kleiner als 1/&, was einer Heraodämpfang von mehr als 20 dB entspricht. Dann rührt der grösste Teil der am a-tn 3 ankommenden Energie von einer Fehl anpassung zwischen dem Bauteil und der Übertragungsleitung am Arm 2 her. Diese Fehlanpassung resultiert aus einer leich ten FrequenzempfindlichKeit des Kopplers oder Verbindungsstücks odor von einer unvollkommenen Anpassung zwischen dem Ferrit-Koppler und dem Transformator oder der aüsserhalb des Ferrit-Kopplers befindlichen Übertragungsleitung.Therefore, almost all of uie transmitted in the i-rm energy fed to the arm 2, wherein very little directly enters the arm 5 ', .enn the diameter of the ferrite sufficiently large for a given ferrite ^ RLMS (typically more than twice the diameter of the ferrite used in conventional circulators), then the energy transfer directly from arm 1 to arm 2 is only very small, typically much less than 1 / &, which corresponds to a Heraodämpfang of more than 20 dB. Then most of the energy arriving at a-tn 3 is due to a mismatch between the component and the transmission line on arm 2. This mismatch results from a slight frequency sensitivity of the coupler or connector or from an imperfect match between the ferrite coupler and the transformer or the transmission line located outside the ferrite coupler.
Aus Figur ( ist ersichtlich, dass die Bandleitungsanordnung das Bauteil 12, zwei Ferrite 10, je einer auf jeder Seite des Bauteiles, und zwei ebene Deckplatten 2b aufweist, welche gegen die Außenflächen der Ferrite anliegen. An denFrom Figure ( it can be seen that the strip line arrangement has the component 12, two ferrites 10, one on each side of the component, and two flat cover plates 2b, which rest against the outer surfaces of the ferrites
Of?iG(NAL 009829/0918Of? I G (NAL 009829/0918
Außenflächen der Deckplatten 2b befinden sich die den Fluß liefernden Magnete 95.The flux-supplying magnets 95 are located on the outer surfaces of the cover plates 2b.
Figur 8 zeigt eine Mikrostreifenanordnung mit einem Bauteil 12', einem Ferrit 10', der zwischen dem Bauteil 12' und der Deckplatte 26' angeordnet ist, und mit einem auf der Deckplatte befindlichen Vorspannungsmagnet 95'.Figure 8 shows a microstrip arrangement with a component 12 ', a ferrite 10', which is between the component 12 ' and the cover plate 26 'is arranged, and with one on the bias magnet 95 'located on the cover plate.
Der hier beschriebene Bandleitungszirkulator arbeitet aufgrund der Zirkulation einer Welle im TEM-Schwingungsmodft, Hierunter versteht man einen Übertragungsleiter-Sehwingungsmodt bei dem das elektrische Feld und das magnetische Feld und die Ausbreitungsrichtung der Welle gegenseitig rechtwinkelig aufeinanderstehen. (Der Mikros treif enzirkulat or arbeitet aufgrund der Zirkulation eines Übertragungsleitungs-Schv/ingungsmodü, der einem TEM-Mo de ähnlich ist.) Für die bisher beschriebenen Bauelemente erfolgt eine Ausbreitung nur der TEM-Schwingungsform innerhalb der ersten Oktave oberhalb der unteren Frequenzgrenze, die durch Feldverluste gesetzt ist. Oberhalb dieser ersten Oktave können andere Schwingungsformen im Bauelement auftreten. Die Frequenz, bei welcher die anderen Schwingungsformen einsetzen, hängt im allgemeinen von der Sättigungsmagnetisierung des Ferrits, der angelegten Feldstärke und der Änderung der Richtung des Bauteiles (-r-) ab. Wenn solche Schwingungsformen erst einmal eingesetzt haben, dann bleiben sie bestehen oder gehen, wenn die Ferritstücke dick genug sind, in parallel zu den Platten verlaufende Schwingungsformen über. In beiden Fällen verschlechtern sich dann die Einspeisungsverluote und die Nachbararmdämpfung auf unbrauchbare Werte.The strip line circulator described here works due to the circulation of a wave in the TEM vibration module, This is understood to be a transmission line visual oscillation mode in which the electric field and the magnetic field and the direction of propagation of the wave are mutually perpendicular stand on top of each other. (The microscope circulator works due to the circulation of a transmission line oscillation mode, which is similar to a TEM mode.) For the The components described so far only propagate the TEM waveform within the first octave above the lower frequency limit set by field losses. Above this first octave others can Forms of vibration occur in the component. The frequency at which the other waveforms start depends in general on the saturation magnetization of the ferrite, the applied field strength and the change in the direction of the component (-r-). Once such waveforms have inserted then they will persist or go if the ferrite pieces are thick enough in parallel to the Plates running waveforms over. In both cases the feed-in losses and the neighboring arm damping then deteriorate to unusable values.
Bei der Erfindung läßt sich die Ausbildung dieser Schwingungsformen jedoch von Anfang an vermeiden, beziehungsweise sich ausbildende Schwingungsformen werden weggedämpft. Im TEM-Mode fließt der Strom in Ausbreitungsrichtung, beiIn the invention, however, the formation of these waveforms can be avoided from the start, or rather developing oscillation forms are dampened away. In TEM mode, the current flows in the direction of propagation
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TE-Mode verlaufen die Stromlinien jedoch sowohl in Richtung der Ausbreitung als auch senkrecht dazu. Wenn daher der äußere Leiter der Bandleitung parallel zum Stromfluß des TEM-Modes geschlitzt wird, dann wird ein Stromfluß des TE-Mode s unterbrochen, während der Stromfluß des TEM-Modes nur geringfügig beeinflußt wird. Durch Unterbrechung des Stromfiußes der TE-Modes lassen sich diese für die Ausbreitung verhindern und in dem Bandleitungs-Ferrit-Bauelement kann sich zwangsläufig nur ein TEM-Mode ausbreiten.In TE mode, however, the streamlines run in both directions the spread as well as perpendicular to it. Therefore, if the outer conductor of the ribbon line is parallel to the current flow of the TEM mode is slotted, then a current flow of the TE mode is interrupted, while the current flow of the TEM mode only is slightly affected. By interrupting the current flow of the TE modes, these can be used for propagation prevent and in the stripline ferrite component inevitably only one TEM mode can propagate.
. Figur 9 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung eines vollständigen Bauelementes mit einem Mode-Unterdrücker nach der Erfindung. Es ist ein Bauteil 28 vorgesehen, das einen Mittelteil 30 und von diesem wegragende, sich verjüngende Arme 32, 34 und 36 hat. Beiderseits des Eauteiles ist je ein Ferrit 33 beziehungsweise yj angeordnet, auf denen wiederum ebene Deckplatten 37 beziehungsweise 39 angeordnet sind. Die Deckplatte 37 besteht aus einer dünnen Schicht leitenden Materials, welches mit einer dickeren selbsttragenden Schicht eines Verlust-behafteten Materials 41 verbunden ist, während die Deckplatte 39 mit einem gleichen Material 43 verbunden ist. Beide Deckplatten weisen Schlitze ^O auf, welche durch sie hindurchrageri und über ihre ganze Länge in dem Verlust-behafteten Material 41 und 43 verlaufen. Diese Schlitze können durch übliche Ätztechniken hergestellt werden. Gegebenenfalls kann auch nur eine der Deckplatten mit Schlitzen ausgebildet sein. Außerdem kann gegebenenfalls auf einer Seite eine normale Deckplatte verwendet werden.. FIG. 9 shows an exploded view of a complete component with a mode suppressor according to the invention. A component 28 is provided which has a central part 30 and tapering arms 32, 34 and 36 protruding therefrom. A ferrite 33 or yj is arranged on both sides of the component, on which in turn flat cover plates 37 and 39 are arranged. The cover plate 37 consists of a thin layer of conductive material, which is connected to a thicker self-supporting layer of a lossy material 41, while the cover plate 39 is connected to a similar material 43. Both cover plates have slots which run through them and run over their entire length in the lossy material 41 and 43. These slots can be made by conventional etching techniques. If necessary, only one of the cover plates can be designed with slots. In addition, a normal cover plate can be used on one side if necessary.
Das stark Verlust-behaftete Material 41, 43 wird hinter den Schlitzen angebracht, damit jegliche Energie absorbiert wird, welche sich über den Schlitzen aufbaut,beispielsweise bei Anregung vonJTE-Sehwingungsformen. Wenn bei einem -solchen Bauelement die Betriebsfrequenz erhöht wird, dann breiten sich die gewünschten TEM-Modes aus, da dieThe heavily lossy material 41, 43 becomes behind attached to the slots so that any energy that builds up over the slots is absorbed, for example when stimulating JTE visual waveforms. If the operating frequency is increased in such a component, then the desired TEM modes spread, since the
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Schlitze in iilchtuiit des Stromveriaufes des TEM-Modes ausgebildet■sind. Die Ströme anderer Gchwin;-juriesformen, beisOlelsLeise von TE-Moaos, fließen unter einem V/irikei oder rechtwinkelig zu den Schlitzen, so daß durch sie aber den Schlitzen aufgeDaute Felder durch das Veriustmaterial adsorbiert ι, erden: dadurch erhöht sich die Eetrit υ::; frequenz-Grenze. Ein soicacr Mode-Uhter'dr.Jcker erlaubt einen Betrieb Über einen Frequcnzbereiu.u, der ist ais zwei Gktaven.Slots in iilchtuiit the current flow of the TEM mode are ■ trained. The streams of other Gchwin; -juries forms, beisOlelsLeise from TE-Moaos, flow under a V / irikei or perpendicular to the slots so that through them but the slits built up fields through the loss material adsorbed ι, earth: this increases the Eetrit υ ::; frequency limit. A soicacr fashion uhter'dr.Jcker allows operation through a frequency range that is ais two octaves.
Figur 10 zeigt eine Draufsicht auf die Deckplatte 4jj, in CK. r die Schlitze pO ausgebildet Hind. Es kann zwar jede geeignete Schlitzzahi eewähit werden, jedoch haben sich besonders gate Ergebnisse bei der Anordnung temäij aen Fi-Awuren 9 und IC ergeben. Die äuiersie R-ihe der Schiit:ΰο p2, j.,'\, yj folien im allgemeinen der Kontur ues Bc.uteij.es selbst, Die nächste Reine von Schiit-,en "^o, oO, o2 verlaufen im allgemeinen parallel zu den äußeren ._-chlitsen in einem ..ostarid von etv/a λ 4, wobei/Laie V,"e±lenili.n(:je der höchsten vorgesehenen Betriebsfrequenz, im Ferrit gemessen, ist. Die dritte Schlitzreihe steht zur zweiten ocnlitzreiüe im gleichen Verhältnis wie die zvveite zur ersten. Dasselbe gilt für die vierte, fünfte usw. Schlitzreihe, bis kein Platz mehr ist. Jeder Schlitz reicht weit benu6 zum Ende des Armes, so daß eine ausreichende Mode-UnterdrUckun^, mit so wenifc. wie möglich Verlusten für den ^ev-Unscnten TEM-Mode erreicht wird. Die Breite der Schlitze des Mode-Unterdrückers wird so öeg wie möglich gernaent, tvpischei'weise ί'-j,- 1000 mm.FIG. 10 shows a plan view of the cover plate 4jj, in CK. r the slots pO formed Hind. Although it may be any suitable Schlitzzahi e ewähit, however, particularly gate results in the arrangement have t emäij aen Fi-A w acids 9 and IC yield. The outer rows of the shiits: ΰο p2, j., '\, Yj generally follow the contour ues Bc.uteij.es themselves, the next set of shiit-, en "^ o, oO, o2 generally run parallel to the outer ._- chlitsen in a ..ostarid of etv / a λ 4, where / lay V, "e ± lenili.n (: j e of the highest intended operating frequency, measured in the ferrite. The third row of slots is available second ocnlitzreiüe in the same ratio as the zvveite. to the first the same applies to the fourth, fifth, etc. row of slots until no space is more. Each slot extends far b ENU 6 to the end of the arm, so that a sufficient fashion UnterdrUckun ^, with . wenifc so losses as possible is achieved for the TEM mode ^ ev-Unscnten the width of the slots of the mode suppressor is eg so as ö gernaent possible tvpischei'weise ί'-j, -. 1000 mm.
Figur 11 zeigt eine Draufsicnt auf einen Zirkulator mit einem anderen Mode-Unterdrücker. Er enthält Stücke aus Verlust-behafteten Material 4^, welches in der Ebene des Bauteiles 4f und dicht genug bei diesem angeordnet ist, so daß unerwünschte o„;hwinöungsformen unterdrückt v/erden, ehe sie sich richtig ausbilden können, jedoch soll andererseits der Abstand genügend groß sein, daß die Verluste für den er-FIG. 11 shows a plan view of a circulator with a different mode suppressor. It contains pieces of loss-prone material 4 ^, which is arranged in the plane of the member 4f and close enough to this, so that undesired o "; hwin ö ungsformen suppressed v / ground before they can be formed properly, but should on the other hand the distance must be large enough that the losses for the
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wünschten TEM-Mode minimal gehalten werden. Die Stücke des Verlust-behafteten Materials 4^> und das Bauteil 4/ sind auf einer. Perritscheibe 49 angeordnet.desired TEM mode can be kept to a minimum. The pieces of the Loss-prone material 4 ^> and the component 4 / are on one. Perrit disk 49 arranged.
Eijne Mode-Unterdrückung kann auch in einem ZirKulator oder Isolator mit einer internen Last erreicht werden.A fashion suppression can also be done in a circulator or isolator with an internal load.
Figur 12 zeigt einen Aufbau ähnlich der Figur 1 mit der Ausnahme, daß das auf dem Ferrit 61 angeordnete Bauteil 51 vier Arme 53 > 55.» t>i und 59 aufweist. Ein ähnlicher Aufbau könnte mit fünf oder mehr Armen dargestellt werden. Jeder zusätzliche ..rni ergibt mehr als 20 dB zusätzlicher Dämpfung aber ein zweites Frequenzoand, sofern ein genügend großer Feldabfall vorgesehen ist, in dem der Durchmesser für eine vorgegebene Sättigungsmagnetisierung groß genug ist und die Fehlanpassung an jedem Arm 1,2 zu 1 nicht übersteigt. Die minimale Dämpfung zwischen zwei benachbarten Armen läßt sich für ein weites Frequenzband formelme i% angeben durch (n - 2) (20) dB,wooei η die Zahl der ^rme ist. Je größer η ist, desto größer muß der minimale Durchmesser für eine vorgegebene Sättigungsmagnetisierung sein.FIG. 12 shows a structure similar to FIG. 1 with the exception that the component 51 arranged on the ferrite 61 has four arms 53> 55. » t> i and 59. A similar structure could be shown with five or more arms. Each additional ..rni results in more than 20 dB additional attenuation but a second frequency range, provided that a sufficiently large field drop is provided in which the diameter is large enough for a given saturation magnetization and the mismatch at each arm does not exceed 1.2 to 1. The minimum attenuation between two neighboring arms can be given for a wide frequency band formula i% by (n - 2) (20) dB, where η is the number of arms. The larger η, the larger the minimum diameter must be for a given saturation magnetization.
Figur Vj) zeigt ein Bauelement mit vier Armen, bei welchem aie Energie am Arm 1 eingespeist wird. Die am Arm 2 austretende Energie ist gegenüber der Eintrittsenergie am Arm 1 um weniger als 0,5 dB gedämpft, Demgegenüber ist die am Arm j? austretende Energie um menr als 20 dB gegenüber der Energie am Arm 1 gedämpft, und die Dämpfung der Energie am Arm 4 beträgt mehr als 20 dB,FIG. Vj) shows a component with four arms, in which all energy is fed into the arm 1. The energy exiting at arm 2 is attenuated by less than 0.5 dB compared to the entry energy at arm 1, whereas that at arm j? Exiting energy is attenuated by more than 20 dB compared to the energy at arm 1, and the attenuation of the energy at arm 4 is more than 20 dB,
Diese mehrarmigeri Bauelemente arbeiten mit einem Mode-Unterdrücker über mehr als eine Oktave, und mit einem Mode-Unterdrücker wie er in den Figuren 10 und 11 dargestellt ist und sich aber auch für mehrannige Zirkulatoren eignet, über mehr als zwei Oktaven.These multi-armed components work with a fashion suppressor over more than an octave, and with a mode suppressor as shown in FIGS and is also suitable for multi-channel circulators, about more than two octaves.
Für ein gutes betriebsverhalten ist eine Symmetrie keine notwendige Voraussetzung. In den Figuren l4a und l4b sind zweiSymmetry is not essential for good operating behavior necessary requirement. In the figures l4a and l4b are two
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mögliche Formen von mehrarmigen Bauelementen dargestellt.^ Der Zirkulator nach Figur JAa besteht aus einem Ferritstab 1;52, auf welchem ein ebenes Bauteil 1^4 angeordnet ist, welches einen Mitteilteil 1^0 aufweist, von dem n-Arme 128 wegra^en. Diese Arme können, wie es in Figur JAa dargestellt ist, längs einer Kante in gerader Linie hervorragen, oder sie können auch entlang dem Umfang des Bauteiles wegragen, wie es in Figur l4b dargestellt ist. Es gilt wiederum lediglich die Bedingung, daß am Rand des Bauteiles zwischen be-possible forms of multi-armed construction elements. ^ The Circulator according to Figure JAa consists of a ferrite rod 1; 52, on which a flat component 1 ^ 4 is arranged, which has a message part 1 ^ 0 from which n-arms 128 rake away. As shown in FIG. JAa, these arms can protrude along an edge in a straight line, or they can also protrude along the circumference of the component, as shown in FIG. 14b. Again, it only applies the condition that at the edge of the component between
qQqQ
nachbarten /innen niedrigen V· rlustes das Verhältnis -s— et-neighboring / inside low loss the ratio -s- et-
dO' y dO ' y
was kleiner als -r-t ist. All diese Zirkulatoren arbeiten in derselben Weise, wie es anhand der Figuren 5» 12 und IJ beschrieben ist. Das Bauelement nach Figur 14a kann ebenso ein Isolator sein, wenn der obere Teil des Ferrits 1>2 durch ein Verlust-behaftetes Material ersetzt wird.which is less than -r- t . All of these circulators work in the same way as is described with reference to FIGS . 5-12 and IJ. The component according to FIG. 14a can also be an insulator if the upper part of the ferrite 1> 2 is replaced by a lossy material.
Figur 15 zeigt eine Draufsicht auf ein dreiarmiges Bauelement, bei dem ein Arm innen abgeschlossen ist. Figur Io zeigt einen Querschnitt durch eine Mikrostreifenversion dieses Bauelementes. Hierbei ist das Verlust-behaftete Material zwischen den Deckplatten und dem Arm des Bauteiles angeordnet, v/elcher üblicherweise durch eine äußere Last für den Ferrit-Koppler abgeschlossen würde. Ein dreiarmiger Zirkulator, bei dem ein Arm abgeschlossen ist, ist ein Isolator.FIG. 15 shows a plan view of a three-armed component, in which one arm is locked inside. Figure Io shows a cross section through a microstrip version of this Component. Here the lossy material is arranged between the cover plates and the arm of the component, v / which would usually be terminated by an external load for the ferrite coupler. A three-armed circulator, where one arm is locked is an isolator.
Das Bauteil 70 hat einen Mittelteil 72, von dem sich verjüngende Arme 74, 76 und 80 wegragen. Der Arm 74 v/irkt als Eingangsarm, der Arm (b als Ausgangsarm. Der Arm 80 kann gegebenenfalls durch eine angepaßte Last 84 abgeschloseen sein. Über dem Eingangs- und den Ausgangsarm und dem an diesen Anne angrenzenden Rand des Bauteiles yj? ist ein ferrimagnetiscues Material 86 vorgesehen, welches sich um einen Abstand ζ über diesen Rand ?j5 auf die Mitte des Bauteiles zu erstreckt. Das Verlust-behaftete Material 88 befindet sich unter dem übrigen T'-.il des Bauteiles, d.h. unter dem Rest des ^rmes 80. Außerdem ist eine Deckplatte 90 vorgesehen.The component 70 has a central part 72 from which tapered arms 74, 76 and 80 project. The arm 74 acts as an input arm, the arm (b as an output arm. The arm 80 can optionally be closed off by an adapted load 84. Above the input and output arms and the edge of the component yj? Adjoining these arms, there is a ferrimagnetic disc Material 86 is provided, which extends to the center of the component by a distance ζ beyond this edge j5. The lossy material 88 is located under the rest of the component, ie under the remainder of the arm 80 A cover plate 90 is also provided.
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V/enn die Polarität magnetischen Feldes so gehöhlt v.lrd, daß die Energie im Gegenuhrzeigersinne zirkuliert, dann verläßt der meiste T 11 der am Arm γ4 eintretenden Energie den Zirkulator am Arm 7υ. Der Abstand ζ wird so gewählt, daß die am Verlust behafteten Material ankommende Energie infolge des Feldabfalls genügend klein ist, daß die Einsoeisungsverluste nicht unzulässig hoch werden.If the polarity of the magnetic field is so hollowed out from the left, that the energy circulates counterclockwise, then leaves most of the T 11 of the energy entering the arm γ4 denotes Circulator on arm 7υ. The distance ζ is chosen so that the energy arriving at the loss-affected material due to the field drop is sufficiently small that the Einoeisungsverluste not become excessively high.
VJird die Energie am Arm 'j6 in den Zirkulator eingespeist, dann zirkuliert sie in Richtung zum Arm Öü, und ein beträchtlicher ijiteil dieser Energie v;ird durch aas Verlustraateria] Oo und die Last c:4 absorbiert. Die den Arm (4 vom Arm (o aus erreichende Energie hängt ab 1) von der Amplitude der unmittelbar vom Arm Vo zum Arm fh infolge des unvollständigen Feidabfalls ankommenden Energie, 2) von der den .rm /4 aber den Arm 60 infolge der unvollständigen Absorption am Arm eü erreichenden Energie und J5) von der den Arm )'\ infolge anderer 3ehwingungsformen erreichenden Energie.Die relative Phase und Amplitude dieser Energiebeträge bestimmt bei ihrer Addierung am Ai1Ki 'Jh die Dämpfung zwischen dem Arm /4 und dem Arm 76. Diese Dämpfung oder Trennung wird bestimmt durch die Betriebsfrequenz, die Materialparameter des Wrlustmaterials und des When the energy is fed into the circulator at the arm 'j6 , it circulates in the direction of the arm, and a considerable portion of this energy is absorbed by the loss raateria] Oo and the load c: 4. The energy reaching the arm (4 from the arm ( o depends on 1) on the amplitude of the energy arriving directly from the arm Vo to the arm fh as a result of the incomplete field drop, 2) from the arm / 4 but the arm 60 as a result of the incomplete absorption arm eü reaching energy and J5) of the arm) '\ due to other 3 ehwingungsformen achieved energy.The relative phase and amplitude of this energy amounts determined in their adding at Ai 1 Ki' century, the attenuation between the arm / 4 and the arm 76. This attenuation or separation is determined by the operating frequency, the material parameters of the wrlust material and the
d9
Ferrites, durch das Verhältnis ~r^~ des Bauteiles, die Abstände
ζ und x. und die Anpassung der Last 84. Sind die übrigen Parameter
gleich, dann wird die Dämpfung umso höher, je langer der Abstand χ ist. Die durch die innere B-.lastung erreichbare
Dämpfung kann bis über όθ dB gewählt werden.d9
Ferrites, through the ratio ~ r ^ ~ of the component, the distances ζ and x. and the adaptation of the load 84. If the other parameters are the same, then the longer the distance χ, the higher the damping. The attenuation that can be achieved through the internal B load can be selected up to over όθ dB.
Eine innere Belastung führt auch zu einer Mode-Unterdrückung, weil das über dem Bauteil angeordnete Verlustmaterial ^diejenigen Schwingungsformen unterdrückt, welche normalerweise in dem Bauteil auftreten können und zwar werden die Schwingungen bereits vor ihrer richtigen ausbildung weggedämpft, so dass die Übertragungseigenschaften des Bauelementes gar nicht erst auf unbrauchbare Werte verschlechtert werden.Internal stress also leads to fashion suppression, because the waste material arranged above the component suppresses those oscillation forms which normally can occur in the component and the vibrations are already dampened before they are properly formed, so that the transmission properties of the component do not deteriorate to unusable values in the first place will.
O O 9 8 2 9V O 91 8 BAD originalOO 9 8 2 9V O 91 8 BAD original
Figur 1( ^eigt eine weitere Ausführungsform eines dreiarmigen Bauelementes mit einem innen abgeschlossenen Arm. Das Eauteil [0* ist über einem Verlustmaterial b"Bf und einem Ferrit Bb1 angeordnet. Es hat einen mittleren Teil f2f-mit nach außen ragenden Armen f4! and jo1, deren Form durch Eögen iJ·' oestimmt ist, die in gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sind. Dieser Ausbildung ist derjenigen nach den Figuren Vj) und lö vorzuziehen, weil der .-.nstand χ praktisch beliebig ^roii gemacht werden kann, so daß eine beliebig hohe Isolation oder Dämpfuno erreicht werden *cann, v;ell sich weiterhin der Aostand ζ leicht zur Einstellung der Verluste auf einen noch akzeptablen Yr rt justieren läßt, weil sich ferner der Wert R 1 eicht einstexlen 1:13t, die Eingangs- und Ausgangsarme in einer Linie liegen unci schließlich, was besonders wichtig ist, der gerade Rand des Bauteiles zwischen den Armen 1 und 2 dew Auftreten unerwünschter" üchwingungsformen stark entgegenwirkt, welche von dem Verlustmaterial unter nur sehr geringer Beeinträchtigung der Verlust- und Isolationseigenschaften des Bauelementes aogedämpft werden.FIG. 1 shows a further embodiment of a three-armed component with an internally closed arm. The component [0 * is arranged over a loss material b "B f and a ferrite Bb 1. It has a central part f2 f -with outwardly protruding arms f4! and jo one whose shape is oestimmt by Eögen iJ · ', which are formed in opposite sides. This training is preferable to that of FIGS previous year) and lö, may be because of .- Nstand. made χ ^ practically any ROII so that an arbitrarily high isolation or Dämpfun be o reaches * cann, v; ell continue the Aostand ζ easy to set the loss at a still acceptable Yr rt adjust can, because also the value of R 1 calibrates einstexlen 1: 13t, the input and output arms are in one line and, ultimately, what is particularly important, the straight edge of the component between the arms 1 and 2 strongly counteracts the occurrence of undesirable oscillation forms caused by the V Loss material can be damped with only very little impairment of the loss and insulation properties of the component.
Eel·..jedem der bisher besprocnerien Bauelemente können ein oder mehrere Arme innen abgeschlossen sein, damit die gegenseitige Isolation besser wird un-d unerwünschte Schwingun^sformen unterdrückt werden. Das in Figur Ib dargestellte Bauelement hat vier Arme, wie aas in Figur 12 dargestellte und unterscheidet sich von diesen durch den inneren Abschluß eines Armes. Das Bauteil 6*j hat einen Hittelteil 67, von dem sich verjüngende Arme 69, 71.» Ύ> und 7 5 wegragen. Ferner ist über dem größeren T il aes Bauelementes, welcher den Arm /1 und den meisten T il der Arme 69 und i'j) einschließt, ein ferrimagnetisehes Material (9 vorgesehen. Über den Arm 75 und den restlichen T-.il der Arme 69 una Yj> verläuft, ein Verlustmaterial 61.Each of the components discussed so far can have one or more arms closed on the inside so that the mutual isolation is better and undesired forms of oscillation are suppressed. The component shown in Figure Ib has four arms, as shown in Figure 12 and differs from these by the inner closure of an arm. The component 6 * j has a central part 67, of which tapering arms 69, 71. » Ύ> and 7 5 protrude. Furthermore, a ferrimagnetic material (9) is provided over the larger part of the component which includes the arm / 1 and most of the part of the arms 69 and i'j. Over the arm 75 and the remainder of the part of the arms 69 runs una Yj>, a loss material 61.
Figur 19 entspricht Figur l8, nur daß das Verlustmaterial 6l durch ein blattförmiges Widerstandsmaterial ersetzt ist,Figure 19 corresponds to Figure l8, only that the loss material 6l is replaced by a sheet-shaped resistor material,
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welches den erforderlichen Verlustwiderstandsabschluss bildet.which forms the required loss resistance termination.
Figur 20 stellt den Verlauf der Dämpfung, der Einspeisungsveriuste und des Welligkeitsfaktors einer Bandleitungsausfu'hrung des in Figur 1 dargestellten Zirkulators dar. Die verwendeten Ferrite hatten etwa^ 25 mm Durchmesser und 2,15 mm Dicke und bestanden aus polykristallinen Yttriumeisengranat mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1 780 Gauss (Trans-Tech Material Nummer G11J5). Die Deckplatten bestehen aus silberplattiertem kaltgewalztem Stahl. Das Bauteil besteht aus einem Messingblech von 0,127 mm Dicke mit den Abmessungen nach Figur 2, wobei w = 0,553 mm beträgt, damit die Eingangs-FIG. 20 shows the course of the attenuation, the infeed rate and the ripple factor of a ribbon line version of the circulator shown in FIG 780 Gauss (Trans-Tech material number G11J5). The cover plates are made of silver-plated cold-rolled steel. The component consists of a brass sheet 0.127 mm thick with the dimensions according to Figure 2, where w = 0.553 mm, so that the input
dQ impedanz etwa 50.0hm ist. Der V/ert -r— beträgt für dieses Bau-dQ impedance is about 50.0hm. The V / ert -r- for this building-
- döf y - dö f y
teil Ι, ΐγ. Der Wert -τ—t ist fur alle Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz des Betriebsmodes o,Q und ist somit grös-part Ι, ΐγ. The value -τ— t is for all frequencies below the resonance frequency of the operating mode o, Q and is therefore greater
dQdQ
ser als -?—. Aus Figur 20 ist zu sehen, daß die Dämpfung mehr als 20 dB, die Einspeisungsverluste weniger als 0,5 dB im Frequenzbereich von '$,'$ bis 0,9 GHz betragen. Ooerhalb von 6,9 GHz treten andere S hwingungsformen auf.more than -? - . It can be seen from FIG. 20 that the attenuation is more than 20 dB and the feed loss is less than 0.5 dB in the frequency range from '$,' $ to 0.9 GHz. Other waveforms occur above 6.9 GHz.
Diese Schwingung formen lassen sich durch die Verwendung eines Mode-Unterdrückers ausschalten. Hierzu werden die silberplatierten Stahldeckplatten durch Deckplatten ersetzt, welche einen Mode-Unterdrücker aufweisen, der in den Figuren 9 und 10 dargestellt ist. Die Deckplatten werden aus einem metallisierten Verlust-behafteten Material hergestellt (Emerson und Cummings MF lib). Die aus Silber bestehende Metallisierung ist etwa 23, 1000 mm dick. Die Schlitze entsprachen der Darstellung in Figur 10 und hatten eine Breite von 0,0/6 mm und einen Anstand von 1,2'/" mm. Der Ferrit und das Bauteil blieben unverändert. Die Figuren 21, 21a und 21b zeigen die Isolation, die Einspeisungsverluste und den WeI-ligkeitsfaktor dieses Bauelementes. Die Einspeisungsverluste sind hier etwas höher als im anderen Fall, jedoch ist der ausnutzbare Frequenzbereich größer als zwei Oktaven geworden.This vibration can be shaped by using it of a mode suppressor. For this purpose, the silver-plated steel cover plates are replaced by cover plates, which have a fashion suppressor shown in the figures 9 and 10 is shown. The cover plates are made from a metallized lossy material (Emerson and Cummings MF lib). The metallization consisting of silver is about 23, 1000 mm thick. The slots corresponded 10 and had a width of 0.0 / 6 mm and a spacing of 1.2 '/ "mm. The ferrite and the component remained unchanged. FIGS. 21, 21a and 21b show the insulation, the feed losses and the waviness factor this component. The feed-in losses are slightly higher here than in the other case, but that is usable frequency range has become greater than two octaves.
Figur 22 zeigt die Isolation, die Einspeisungsverluste und den Welligkeitsfaktor einer BandleitungsausführungsformFigure 22 shows the isolation, injection losses, and ripple factor of a ribbon cable embodiment
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der in Figur 13 dargestellten Anordnung. Der Ferrit war ein Material Gl IjJ mit Abmessungen 50,8 χ 3,Ü5 χ 1,5 Y «™· Das "Verlustmaterial MP 116 hatte die Abmessungen 5*08 χ 20,2 x 1,5Y Das Bauteil bestand aus Messing einer Dicke von 0,12γ mm mit den Abmessungen w = O,j58 mm und R - 25*2 mm .(die Materialien GIl^ und MP 116 wurden bereits erwähnt, die Abstände w und R sind anhand von Figur 2 erläutert). Die Deckplatten bestanden aus silberplatierten kaltgewalztem Stahl. Der Schenkel (J in Figur 18 war durch eine angepaßte Last abgeschlossen, und die in Figur 22 aufgetragenen Parameter bestehen zwischen den Armen 69 und Yl.the arrangement shown in FIG. The ferrite material was a Gl ijj measuring 50.8 χ 3 χ 1.5 E5 Y '™ · The "loss of material MP 116 had dimensions of 5 * 08 χ 20.2 x 1, 5Y The device consisted of a thickness brass of 0.12γ mm with the dimensions w = 0, j58 mm and R - 25 * 2 mm. (The materials GII and MP 116 have already been mentioned, the distances w and R are explained with reference to FIG. 2) made of silver-clad cold-rolled steel The leg (J in Figure 18 was terminated by an adjusted load, and the parameters plotted in Figure 22 exist between arms 69 and Yl.
In Figur 2^ ist die Isolation, die Einspeisungsverluste und der Welligkeitsfaktor einer Bandleitungsausführung des Bauelementes nach Figur 1γ dargestellt. Die Abmessungen des verwendeten Ferrits aus dem Material G113 waren Yb,2 χ 12,/ χ 0,102 mm. Das Verlustmaterial MF lld hatte die Abmessungen 76,2 χ 19 χ 0,102 mm und das Bauteil bestand aus 0,12γ' mm starkem Messing mit den Maßen w = 0,254 mm und R - 31,8 mm. Die Deckplatten bestanden aus silberplatiertem kaltgewalztem Stahl.In Figure 2 ^ the insulation, the feed losses and the ripple factor of a ribbon cable design of the component according to Figure 1γ is shown. The dimensions of the ferrite used, made of the material G113, were Yb, 2 12, / χ 0.102 mm. The loss material MF lld had the dimensions 76.2 × 19 × 0.102 mm and the component consisted of 0.12γ 'mm thick brass with the dimensions w = 0.254 mm and R - 31.8 mm. The cover plates were made of silver plated cold rolled steel.
Figur 25 stellt ein nach der Erfindung ausgeführtes Bauelement in einer Abwandlung dar, welche die Verarbeitung iner größeren Spitzenleistung erlaubt. Beim Entwurf eines Mikrowellenzirkulators oder Isolators strebt man nach einer möglichst großen Bandbreite, innerhalb deren eine gute Isolation und ein gutes Einspeisungsverlustverhältnis erzielt wird, wobei diese ./erte möglichst temperaturstabil sein sollen. Weiterhin strebt man ein lineares Übertragungsverhalten an. Dieses letztgenannte Merkmal bringt jedoch Probleme mit sich, insbesondere, wenn das Bauelement im Impulsbetrieb verwendet wird. Diese Probleme kommen daher, daß viele der verwendeten Ferritmaterialien einen relativ niedrigen Grenzpegel oder Schwellwertpegel für die fortzuleitende Energie aufweisen, oberhalb dessen das Verhalten nicht linear wird. Zwar ist es möglich, diesen Grenzpegel heraufzusetzen und damit die zu verarbeitende Spitzenleistung zu erhöhen, bei-FIG. 25 shows a component embodied in accordance with the invention in a modification which enables the processing iner higher peak performance allowed. When designing a microwave circulator or isolator, one strives for one as possible large bandwidth within which a good isolation and a good injection loss ratio is achieved, these ./erte should be as temperature-stable as possible. Continue to strive one assumes a linear transfer behavior. However, this latter feature poses problems, especially when the Component is used in pulse mode. These problems arise from the fact that many of the ferrite materials used have one have relatively low limit level or threshold level for the energy to be transmitted, above which the behavior does not becomes linear. Although it is possible to raise this limit level and thus increase the peak power to be processed, both
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spielsweise indem man unterschiedliche Ferritmaterialien mit einer breiteren Spinnresonanzlinienbreite ( H^) verwendet, jedoch führen solche Änderungen im allgemeinen zu einer Verschlechterung anderer wünschenswerter Eigenschaften des Bauelements, wie der Bandbreite, der Temperaturstabilität, der Isolation und, oder der Einspeisungsverluste.for example by using different ferrite materials with a wider spin resonance line width (H ^), however, such changes generally lead to a deterioration in other desirable properties of the device, such as the bandwidth, the temperature stability, the insulation and, or the feed-in losses.
Entsprechend der vorstehend erläuterten Theorie für die Betriebsweise von Zirkulatoren wird das Magnetfeld im Bauelement längs der Kanten des Bauteiles konzentriert, so dai sich ein Weg mit niedrigen Verlusten in derjenigen Richtung ergiot, welche normalerweise die Urnlaufrichtung ist, während aie Verluste für die entgegengesetzte Richtung hoch sind. In Fi&ur 2( ist die Feldstärke ausgetragen, die von einem Maximalwert am Hand des Bauteiles exponeiitiel abfällt. Aus dieser Kurve läßt sich leicht sehen, daß wegen des schnellen Abfalles des elektrischen Feldes mit zunehmender Entfernung vom Rand für .ein lineares Arbeiten der am weitesten vom Rand entfernte Ferrit nicht sa einen hohen Schwellwert zu haben braucht wie der angrenzend an den Rand, längs dem sich der größere Teil der elektrischen Energie ausbreitet, befindliche Ferrit. Fur eine Erhöhung der durch das in seiner grundsätzlichen Form anhand der Figuren 2^ und 2o beschriebene Bauteil maximal zu verarbeitenden Leistung wird das gyromagnetische Material oder der Ferrit 100 aus zwei getrennten Teilen 101 und 102 gebildet, die aus unterschiedlichem Material bestehen. DieTei-Ie 101 und 102 verlaufen praktisch koplanar zueinander und sind vorzugsweise in üblicher Technik miteinander verbunden, so daß sie ein zusammengesetztes gyromagnetisches Medium 100 bilden. Angrenzend an den Ferrit 100 ist ein Bauteil 104 angeordnet, das sehr ähnlich dem in Figur Yf dargestelltem Bauteil ist und ein paar nach außen sich verjüngender Arme 10υ und 107 aufv/eist, die als Eingangs-, beziehungsweise Ausgangsarm für das Bauelement dienen. Das gyromagnetische Medium erstreckt sich im wesentlichen über den gesaraten Teil des Bau- · feiles, in welchem der Strom normalerweise entweder in einerAccording to the above-explained theory for the operation of circulators, the magnetic field in the component is concentrated along the edges of the component, so that a path with low losses in the direction which is normally the primary direction, while the losses for the opposite direction are high . In Fi & ur 2 ( the field strength is plotted, which decreases exponentially from a maximum value at the hand of the component. From this curve it can easily be seen that, because of the rapid decrease of the electric field with increasing distance from the edge, the furthest from the edge for linear work Ferrite removed from the edge does not need to have a high threshold value like the ferrite located adjacent to the edge, along which the greater part of the electrical energy spreads Component maximum power to be processed, the gyromagnetic material or the ferrite 100 is formed from two separate parts 101 and 102, which consist of different materials form a composite gyromagnetic medium 100. Adjacent to the F errit 100, a component 104 is arranged which is very similar to the component shown in FIG. Yf and has a pair of outwardly tapering arms 10½ and 107 which serve as input and output arms for the component. The gyromagnetic medium extends essentially over the entire part of the component in which the current is normally either in a
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Vorwärts- oaer in einer RJckwartsriehtuxie ί'ϋεώϋ, una es ra^t vorzugsweise etwas '-.ber dessen Kanten hinaus, vvie durch die Ee zu ,^s ziffer IGy angedeutet ist, damit die Randbeaineüii^'en f 'Ir das Fei α innerhalu des Bauelementes erfüllt sina.Forward oaer in a backward direction ί'ϋεώϋ, una es ra ^ t preferably something '-. beyond its edges, vvie by the Ee zu, ^ s digit IGy is indicated so that the Randbeaineüii ^ 'en f 'Ir fulfills the Fei α within the component sina.
Las Bauteil 104 ;.at j.'ernr-r einen dritten Arm 110, der .,ν.Ischen aen Armen 10-j und 10c angeordnet ist una innen mit Hilfe eines darunterliegenden !Vlies von Verlust-behaftetem i-iateriai 112 abgeschlossen 1st, welches ;:o;uanar mit der. .;:, roma^netiscnem iieolum jGO ver.i i-'uft und j-oen dessen Kante anlieft, angrenzend una in Berührung sowohl mit den g.-jcolna^netischem kealum 100 als auch mit aem V rlust-behaftetem Material 112 ist eine Deckplatte 114 vorgesehen. Das mu,-n-ntisch*= Feld inrierholc <i<:s Bauelementes wird mit Hilfe ^ines Permanentmagneten l.o erze.,^t, welcher f/,c._,en das ί_,,νΐΌπΐύ6-netische Medien 100 anlieft.Las component 104; .at j.'ernr-r a third arm 110, which is , which ; : o; uanar with the. .;:, roma ^ netiscnem iieolum jGO ver.i i-'uft and j- o en whose edge abuts, adjacent and in contact with both the g.-jco lna ^ netic kealum 100 as well as with aem-afflicted material 112 a cover plate 114 is provided. The mu, -nn table * = field inrierholc <i <: s component is created with the help of ^ ines permanent magnets., ^ T, which f /, c ._, en the ί _ ,, νΐΌπΐύ 6 -netic media 100 starts up.
Der Teil 101 des ;J.„ ro^ar/netiscnen I-lediains 100 ist a-s eine::, kateria^. gebildet, ",.elcxies aie, optimaxe oe wünsch te Bandbreite und die optimalen Binsoeisun.-.sVerluste aufweist :<ηα Dei aen durch aas Bauteil maximal zu verarbeitenden Leistungen no en ::eine Einschränkungen bringt. Das Teil 101 ist hinsiciitlior. des Bauteiles 104 so angeordnet, aass es denjenigen T ii des Bauteiles ',beraeckt, welcher aen ^röteren Teil des stromes od^r der Bner-ie in Vorv/ärtsricntun^ f'lhrt. i^ei dem uartesteixten Bauelement ist aies entlang der oberen Kante 10/ des Bauteiles aer FaIx. Die Breite des T il^s 101 wird aurcn äi-e 3pit2eneneri:;ie, w-eiche uas Bauelement in Vorviärtsricntuiit, durchlaufen soll, und aurc.h aen ^ewanschten begrenzenden Schwellwert des Bauelementes bestimmt.The part 101 of the ; J. “Ro ^ ar / netiscnen I-lediains 100 is as a ::, kateria ^. formed, ", .elcxies aie, optimaxe o e desired bandwidth and the optimal Binsoeisun .-. s losses: <ηα The maximum power to be processed by a component no en :: brings restrictions. Part 101 is hinsiciitlior. des component 104 is arranged so it aass those T of the component ii 'beraeckt which ate ^ redder part of the current od ^ r of bNER-ie in VorV / ärtsricntun f'lhrt ^. i ^ ei the uar t esteixten component is along AIES of the upper edge 10 / of the component aer FaIx. The width of the T il ^ s 101 is aurcn äi-e 3pit2enener i :; ie, w-eiche uas component in Vorviärtsrintuiit, is to pass through, and aurc.h aen ^ ewanschten limiting threshold value of the Component determined.
Der Teil 102 des gyromayaetisenen r>K-diums 100 ist aus einem Material gebildet, welches in Rückwärtsriehtunt, eine optimale Isolation bietet. Im allgemeinen handelt es sich dabei um ein Material mit einer schmaleren Spinnresonanzlinienbreite als es bei dem Material für den T .11 101 derThe part 102 of the gyromayaetisenen r> K-dium 100 is off a material formed, which in reverse direction, a offers optimal isolation. In general, this is a material with a narrower spin resonance line width than with the material for the T .11 101 of the
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Fall ist, und bei hoher Spitzenleistung würde dabei das Tc-il 102 Einschränkungen mit sich bringen. Da. der Zweck des Teiles 102 aoer in einer Erhöhung der Rückwärtsdämpfung (Dämpfung in entgegengesetzter UmIaufrichtung) ist, hat diese Begrenzung eine verbesernde anstatt eine « verschlechternde Wirkung.Is the case, and with high peak performance it would Tc-il 102 bring limitations. There. the purpose of part 102 also in an increase in the backward damping (damping in the opposite direction) is, this limitation has an improving rather than a «deteriorating effect.
Beispielsweise ergibt sich ein begrenzender Schwellwerk von /5 W Spitzenleistung für ein Bauelement der für verbesserte Spitzenleistung beschriebenen .-,rt mit dieser Aowandlung unter Verwendung eines Bauteiles wie es in Fiuur 25 dargestellt ist, dessen gyromagnetis.ches Medium 100 aus einem festen Stück Granat mit einer Sättigungsmagnetisierung von etwa l800 Gauss (T.ans-Tech GlIj?) gebildet 1st. Wandelt man das gleiche Bauteil so ab, wie es Figur 2^ zeigt, daß es ein zusammengesetztes gyromagnetiscn.es Medium aufweist, dessen Teil 102 aus dem gleichen Material wie oben besteht und dessen Teil 101 aus einem dotierten Granatrnaterial mit einer Sättigungsmagnetisierung von etwa 1100 Gauss (oeispieisweise Trans-Tech G1021) besteht, wobei die Teile 101 und 102 die gleiche Dicke haben, dann erhöht sicn die begrenzende Schwelle für die verarbeitbare Spitzenleistung auf etwa 450 V/. Eine weitere Erhöhung in der Proportion der gesamten Breiue des gyromagnetisehen Mediums 100, welches aus dem im Teil 101 enthaltenem Material besteht, bringt eine weitere Erhöhung der verarbeitbaren Spitzenleistung. For example, a limiting Swell yields of / 5 W peak power for a component of the .- described for improved peak power, rt with this Aowandlung using a component as shown in Fi u for 25 whose gyromagnetis.ches medium 100 from a solid piece Garnet with a saturation magnetization of about 1800 Gauss (T.ans-Tech GlIj?) Is formed. If the same component is modified as shown in FIG. 2 ^ that it has a composite gyromagnetic medium, the part 102 of which consists of the same material as above and the part 101 of a doped garnet material with a saturation magnetization of about 1100 Gauss (oeispieweise Trans-Tech G1021), where the parts 101 and 102 have the same thickness, then increases the limiting threshold for the processable peak power to about 450 V /. A further increase in the proportion of the total pulp of the gyromagnetic medium 100, which consists of the material contained in the part 101, brings a further increase in the processable peak power.
Das in Figur 25 dargestellte Bauelement unterscheidet sich nach dem in Figur 17, in dem der innen abgeschlossene Arm und das angrenzende Verlust-benaftete Material (110 beziehungsweise 112 in Figur 25) abgewandelt ist, um die mittlere verarbeitbare Leistung des Bauelementes zu verbessern. Im allgemeinen ist das Material für den inneren Abschluß und für den gewünschten Grad der Isolation ein Material, welches eine sehr hohe Dämpfung zeigt. Auf diese Weise ist esThe component shown in Figure 25 differs from that in Figure 17, in which the internally closed Arm and the adjacent loss-wetted material (110 and 112 in Figure 25) is modified to the middle improve processable performance of the component. Generally the material is for the inner seal and for the desired degree of insulation, a material that shows very high attenuation. That way it is
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möglich, den Lastwiderstand relativ kurz auszubilden. Bei einem Bauelement für eine größere zu verarbeitende Leistung sind jedoch die im Lastwiderstand auftretenden Temperaturen oft größer als die Temperaturen, welche dieses Material aushält, so daß dieses Material auseinanderbricht oder zu eiruem Brand führt, so daß das Bauelement zerstört wird. Beispielsweise ist ein für hohe Belastung verwendbares Material PoIyiron, welches einen Dämpfungsfaktor von 80 dB „ Zoll hat und Temperaturen bis zu 2oO°C aushält, so daß sich damit ein typisches Bauelement der beschriebenen Art mit einer maximalen mittleren Leistung von 50 W aufbauen läßt. Da der größere Teil, der durch ein solches Belastungsmaterial absorbierten und abgeführten Energie in der Nähe der Trennfläche zwischen dem Verlust-behaftetem Material und dem B'erritmaterial auftritt und da ein derartiges Material die Wärme nicht besonders gut abführt, läßt sich lediglich durch Verlängern des den Lastwiderstand bildenden Materials eine nennenswerte Erhöhung der maximalen verarbeitbaren Leistung erreichen. Hierzu muß vielmehr das Verlustmaterial nicht nach seinen Absorptions- und Dämpfungseigenschaften ausgewählt v/erden, sondern vielmehr nach seinem Wärme Übergangs verhalt en und nach seiner Temperaturfestigkeit hinsichtlich der auftretenden Erwärmung. Da die Absorptionseigenschaften des Materials nicht optimal gewählt werden können, muß seine Länge vergrößert werden, damit der gewünschte ausreichende Grad der Isolation erreicht wird. Ein hierfür besonders geeignetes Material ist das unter dem Namen Carborund bekannte Siliciumkarbid. Damit keine Energie in den umgebenden Bereich abgestrahlt wird, soll der in Berührung mit dem Ver- ■ lust-behafteten Material stehende'Teil des Bauteiles lang im Vergleich zur Wellenlänge der niedrigsten Betriebsfrequenz sein, vorzugsweise mindestens 3 χ so lang.Obgleich in den Zeichnungen das den Lastwiderstand bildende Material als stumpf aufhörend dargestellt ist, kann es gegebenenfalls genausogut mit einem verjüngenden Verlauf benutzt werden.possible to make the load resistance relatively short. In the case of a component for a greater power to be processed, however, the temperatures occurring in the load resistor are often greater than the temperatures that this material can withstand, so that this material breaks apart or leads to a fire, so that the component is destroyed. For example, a material that can be used for high loads is polyiron, which has an attenuation factor of 80 dB "inches and can withstand temperatures of up to 20 ° C., so that a typical component of the type described with a maximum average power of 50 W can be built with it. Since the greater part of the energy absorbed and dissipated by such a loading material occurs in the vicinity of the interface between the lossy material and the ferritic material, and since such a material does not dissipate the heat particularly well, it can only be achieved by lengthening the Load resistance-forming material can achieve a noticeable increase in the maximum workable power. For this purpose, the loss material does not have to be selected according to its absorption and damping properties, but rather behave according to its heat transition and according to its temperature resistance with regard to the heating that occurs. Since the absorption properties of the material cannot be optimally selected, its length must be increased so that the desired sufficient degree of insulation is achieved. A particularly suitable material for this is silicon carbide known under the name carborundum. So that no energy is radiated into the surrounding area, the part of the component in contact with the lossy material should be long compared to the wavelength of the lowest operating frequency, preferably at least 3 as long the material forming the load resistance is shown as ending butt, it can optionally just as well be used with a tapering course.
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Bei Verwendung eines Lastwiderstandes der vorbeschriebenen Ausführung anstelle einer üblich ausgebildeten Last in einem Isolator nach Figur 2o ergibt sich eine Erhöhung der Grenzleistung von ^)O auf y$Q Yi. When using a load resistor of the above embodiments, instead of a common load formed in an insulator of Figure 2o results in an increase in the limit power of ^) O to y $ Q Yi.
Eine andere Einflußgröße für die Gesamtbetriebseigenschaften eines Mikrowellenzlrkulators oder -Isolators ist die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes innerhalb des Ferritmaterials. Im allgemeinen werden in Ferritbauelementen der in Rede stehenden Art zwei Grundmaterialien für die Magnete verwendet. Eines dieser Materialien ist ein Kerainikmaterial mit einer' Teilchenorientierung, das andere ist ein aus Aluminium, Nickel und Kobalt bestehendes Material, sogenanntes Alnico. Die Keramikmagnete sind im allgemeinen senr gleichförmig in ihren magnetischen Eigenschaften, aber ihre T mperaturfestigkeit ist nicht so gut wie die von Alnicomagneten. Andererseits sind die Alnicomagnete infolge von Einschlössen und infolge ihrer Metallstruktur nicht so gleichmäßig hinsichtlich der Ausbildung ihres Magnetfeldes.Another factor influencing the overall operational characteristics of a microwave isolator or isolator is the uniformity of the magnetic field within the ferrite material. In general, in ferrite components The type in question uses two basic materials for the magnets. One of these materials is a kerainic material with a 'particle orientation, the other one is made of aluminum, Material made up of nickel and cobalt, so-called Alnico. The ceramic magnets are generally uniform in shape in their magnetic properties, but their temperature resistance is not as good as that of alnico magnets. On the other hand, the alnico magnets are not so uniform in terms of inclusions and their metal structure the formation of their magnetic field.
Bei üblichen Ferritbauelementen, sei es in Bandleitungs-, in Mikrostreifen- oder in Hohlleitertechnik, sind die zur Erzeugung des Magnetfeldes im Bauelement benutzten Magnete neben dem Ferrit in reliefartigen Einschnitten der normalerweise aus Aluminium hergestellten Deckplatten angeordnet. Odgleich die Alurainiumdeckplatten die Gleichförmigkeit des Feldes nicht nennenswert beeinflussen, sondern das vom Magnet erzeugte Feld zuin^ Ferrit gelangen lassen, läßt sich mit dieser Anordnung zwar ein zufriedenstellendes Arbeiten mit üblichen Ferritbauelementen erreichen aber jede weitere Verbesserung der Gleichförmigkeit des F ldes bringt praktisch keine nennenswerte 'Verbesserung des Betriebsverhaltens eines solchen Bauelementes. Beim Betrieb von Zirkulatoren nach der Erfindung werden andererseits die Betriebseigenschaften durch die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes innerhalb des Zirkulators ganz wesentlich verbessert. With common ferrite components, be it in ribbon cable, in microstrip or waveguide technology, the magnets used to generate the magnetic field in the component are next to the ferrite arranged in relief-like incisions in the cover plates normally made of aluminum. The same the Alurainium cover plates do not significantly affect the uniformity of the field, but rather that generated by the magnet Field to get into ^ ferrite can be done with this Although the arrangement works satisfactorily with conventional ferrite components, it can achieve any further improvement the uniformity of the field brings practically nothing worth mentioning 'Improvement of the operating behavior of such a component. When operating circulators according to the invention on the other hand, the operational characteristics become due to the uniformity the magnetic field within the circulator is significantly improved.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines givichförmigen Feldes im Bauelement besteht darin, daß man die Deckplatten vöiiie aus einem magnettisch weichen oder permeablen Material, wie kaltgewalztem Stahl herstellt. Während ein solcher Dcckplattenaufbau zu einem gleichförmigen F'.la führen würde, aber zusätzlich das Gesamtgewicht in unerwünschter Weise erhöhen würde, würde er auch ίνα einer Verteilung des Feldes doer eine wesentlich größere Fläche, nämlich die gesamte Oberfläche der Deckplatte, führen und damit relativ ^rolie Magnete erfordern, damit die benötigte Feldstärke im Bauelement zur richtigen Vormagnetisierung ues Ferritmaterials erreicht wird. Die Figuren 2b und 29 veranschaulichen einen verbesserten Plattenaufbau fir das Bauelement nach Figur 2-j, der so ausgebildet ist, daß ein gleichförmiges Feld innerhalb des Bauelementes hervorgerufen werden kann, ohne das große Magnete oenötigt werden.One method of producing a uniform field in the component consists in producing the cover plates from a magnetically soft or permeable material such as cold-rolled steel. While such a cover plate structure would lead to a uniform F'.la, but would also increase the total weight in an undesirable manner, it would also lead to a distribution of the field or a much larger area, namely the entire surface of the cover plate, and thus relatively ^ Require rolie magnets so that the required field strength in the component for the correct premagnetization ues ferrite material is achieved. Figures 2b and 29 illustrate an improved plate structure for the component of Figure 2-j which is designed so that a uniform field can be created within the component without the need for large magnets.
der Figuren 2c and 29 läwt sich aucn sehen, daß die in den Figuren 25 und 26 mit 114 bezeichnete Deckplatte eine ,Platte oder ein Blatt Ho aus einem Material aufweist, welches ein relativ guter Leiter ist, nicht magnetisch ist und die Wärme ^\xt abführt, beispielsweise aus Aluminium. Der angrenzend an den Ferrit angeordnete Teil der Platte wird bis auf das Paar Arme 119 und 120 entfernt. Eine Platte 121 aus vorzugsweise nochpermeablen ferromagnetische«! Material, beispielsweise kaltgewalzter Stahl, wird dann an den /innen und 120 beispielsweise mit Hilfe von Schrauben 122 befestigt« Viie die Figuren erkennen lassen, ist aie Dicke der .irme lly und 120 reduziert und die Dicke der Platte 121 ist so gewählt, daß die Oberflächen der Platten lld und 121 neben dem Bauteil kopianar sind, wobei die Platte 121 einen Teil der Deckplatte darstellt. Zur Vermeidung von Beeinträchtigungen oder Korrosionserscheinungen der Deckplatte ebenso wie zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit ist die ferromagnetische Platte 121 vorzugsweise mit einem leitenden, im wesentlichen korrosionsfesten Material wie beispielsweise Silber oder Gold überzogen.2c and 29 it can also be seen that the cover plate designated 114 in FIGS. 25 and 26 has a, plate or sheet Ho made of a material which is a relatively good conductor, is non-magnetic and the heat ^ \ xt dissipates, for example from aluminum. The part of the plate which is arranged adjacent to the ferrite is removed except for the pair of arms 119 and 120. A plate 121 of preferably still permeable ferromagnetic «! Material, for example cold-rolled steel, is then attached to the inside and 120, for example with the aid of screws 122. As the figures show, the thickness of the screens 120 and 120 is reduced and the thickness of the plate 121 is chosen so that the Surfaces of the plates 11d and 121 are copianar next to the component, the plate 121 being part of the cover plate. To avoid impairment or signs of corrosion of the cover plate as well as to increase its electrical conductivity, the ferromagnetic plate 121 is preferably coated with a conductive, essentially corrosion-resistant material such as silver or gold.
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V/ird die verbesserte Grundplatte nach Figur 29 verwendet, .wie es in Figur 2o angedeutet ist, dann befindet sich die ferromagnetische Platte 121 unmittelbar in Kontakt mit dem gyromagnetischem Medium 100 und ist so angeordnet, daß ihre benachbarten Ooerflachen praktisch die gleiche ausdehnung haben. Der Magnet 116, der in die in den Armen 119 und 120 ausgebildete Ausnehmung paßt ist mit einer seiner Ooerflächen in unmittelbarer Berührung mit der ferromagnetischen Platte 121 und hat praktisch die gleiche Ausdehnung.If the improved base plate according to FIG. 29 is used, .As indicated in Figure 2o, then there is the ferromagnetic Plate 121 in direct contact with the gyromagnetic medium 100 and is arranged so that their neighboring The upper surfaces are practically the same size. The magnet 116, which is formed in the arms 119 and 120 The recess fits with one of its outer surfaces in direct contact with the ferromagnetic plate 121 and is practically the same size.
Der Ersatz der Deckplatte nach den Figuren 2ö und 29 (unter Verwendung von Aluminium und kaltgewalztem Stahl für ihre beiden Teile ) anstelle einer üblichen, nur aus Aluminium bestehenden Deckplatte bei einem Ferritisolator wie er in Figur 2p dargestellt ist, führt zu wesentlichen Verbesserungen des Betriebsverhaltens, selbst wenn man die Vormagnetisierung durch Keramikmagnete erzeugt. Untersuchungen eines solchen Bauelementes haben gezeigt, dass mit dieser verbesserten Deckplatte die Bandbreite an jedem Ende des Frequenzbandes um 15/6' größer -wird, daß die Isolation besser wird, daß die Einspeisungsverluste um 0,23 dB herabgesetzt werden und daß die Temperaturstabiiität verbessert wird.The replacement of the cover plate according to FIGS. 20 and 29 (using aluminum and cold rolled steel for their two parts) instead of a usual one, just off Aluminum existing cover plate in a ferrite insulator as shown in Figure 2p, leads to essential Improvements in performance even if the bias is generated by ceramic magnets. Investigations of such a component have shown that with this improved cover plate, the bandwidth at each end of the frequency band 15/6 'larger - the insulation is better, that the feed-in losses are reduced by 0.23 dB and that the temperature stability is improved.
Obgleich der Teil 118 der Deckplatte als masive Platte dargestellt ist, ist dies nicht notwendig. Beispielsweise kann der Teil 118 unter Verwendung einer Schicht leitenden nicht magnetischen Materials, beispielsweise Aluminium, auf einer Platte aus nicht magnetischem, nicht leitendem Material, beispielsweise Bakelit, durch Auf plattieren, Ablagern oder dergleichen ausgebildet werden. Hierbei ist natürlich darauf zu achten, daß die leitende, nicht magnetische Schicht eine genügende Eindringtiefe aufweist, damit eine Fortleitung der Energie möglich ist.Although the part 118 of the cover plate is a solid plate is shown, this is not necessary. For example, the portion 118 may not be conductive using a layer magnetic material, for example aluminum, on a plate of non-magnetic, non-conductive material, for example Bakelite, be formed by plating, depositing or the like. This is of course up to it make sure that the conductive, non-magnetic layer has a sufficient penetration depth so that the Energy is possible.
Figur ^O zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Bauteiles nach der Erfindung, bei welcher sich die äußeren Schal-Figure ^ O shows a modified embodiment of the component according to the invention, in which the outer shell
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tungsteile leichter anschließen lassen. Bei der hier beschriebenen Grundform der Erfindung ist es erforderlich, weil das gyromagnetische Medium des Ferrits 100 praktisch bis zu den Rändern des Bauteiles reicht, daß die Breite der Arme sehr gering ist, damit die Arme hinsichtlich ihrer Impedanz an die äußere Schaltung angepaßt werden können, beispielsweise an einen 50 Ohm-Wellenwiderstand einer Leitung. Beispielsweise würde die normale Breite für einen Arm in der Größenordnung von 0,25 rom liegen. Derartig kleine aomessungen machen es sehr schwierig und teuer, die Schaltung an das Verbindungsstück anzuschließen. Die verbesserte Ausführungsform nach Figur 30 erleichtert den Anschluss des Bauteiles 104 an eine äußere Schaltung, insbesondere an ein Verbindungsstück, durch das Vorsehen von leitenden Fortsätzen, beispielsweise 130 und 131 an den entsprechenden Armen. Unter Anwendung üblicher Aufbautechniken wird der Oberflächenbereich der leitenden Teile I30, I3I s0 berechnet, daß die gev/ünschte Impedanz .für eine Anpassung an die äußere Schaltung erreicht wird. Da die Teile I30, I3I nicht von dem Ferritmaterial oedeckt sind, und vorzugsweise von einem Luftdielektrikum umgeben sind, ist ihr Oberflächenbereich (Breite) v.esentlich größer als der des Bauteiles an seinen Armen.make connection parts easier to connect. In the case of the basic form of the invention described here, it is necessary, because the gyromagnetic medium of the ferrite 100 practically extends to the edges of the component, that the width of the arms is very small so that the impedance of the arms can be matched to the external circuit. for example to a 50 ohm wave impedance of a line. For example, the normal width for an arm would be on the order of 0.25 rom. Such small measurements make it very difficult and expensive to connect the circuit to the connector. The improved embodiment according to FIG. 30 facilitates the connection of the component 104 to an external circuit, in particular to a connecting piece, by providing conductive extensions, for example 130 and 131, on the corresponding arms. Using customary construction techniques, the surface area of the conductive parts I30, I3I s0 is calculated so that the desired impedance for an adaptation to the external circuit is achieved. Since the parts I30, I3I are not covered by the ferrite material, and are preferably surrounded by an air dielectric, their surface area (width) is considerably larger than that of the component on its arms.
Gegebenenfalls können die Teile 130 und IjJl selbst mit Fortsätzen 132 und 133 reduziertem Oberflächenbereich versehen v/erden,· welche dann die Verbindungsstellen zu den Anschlüssen des Bauteiles bilden; der Oberflächenbereich der Fortsätze 132, 133 ist so bemessen, daß jeder ungleiche Abstand des Yerbindungspunkfces zwischen den Deckplatten kompensiert wird.If necessary, the parts 130 and IjJl can themselves with Projections 132 and 133 provided reduced surface area v / earth, which then form the connection points to the connections of the component; the surface area of the Projections 132, 133 is dimensioned so that each unequal distance of the connection point between the cover plates compensated will.
Ein Teil der vor beschriebenen «usführungs formen von ZIrkulatoren nach der Erfindung sind ohne Mode-Unterdrücker beschrieben wordenj damit die Beschreibung nicht zu umfangreich wird. Selbstverständlich können natürlich alle beschriebenen Zirkulatoren auch mit Mode-Unterdrückern versehen sein, ohne daß dies noch im einzelnen ausgeführt werden müßte.Some of the above-described versions of the circulators according to the invention have been described without mode suppressors so that the description is not too extensive will. Of course, all of the circulators described can of course be used also be provided with fashion suppressors without that this would have to be explained in detail.
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Legal Events
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