DE2008584A1

DE2008584A1 - Hohlleiter Zirkulator

Info

Publication number: DE2008584A1
Application number: DE19702008584
Authority: DE
Inventors: Richard Finme Bishops Stört ford Hertfordshire Skedd (Großbritannien) H05k 7 00
Original assignee: International Standard Electric Corp , New York NY (V St A )
Priority date: 1969-03-05
Filing date: 1970-02-24
Publication date: 1971-02-11
Also published as: FR2034666B1; FR2034666A1; CH515625A; GB1190547A; US3593210A

Description

20085*4

Dipl.-Phys. Leo Thul
Patentanwalt
7 Stuttgart 30
Kurze Straße 8

R. F. Skedd - 2

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Hohlleiter - Zirkulator

Die Erfindung betrifft einen Hohlleiter-Zirkulator, der einen Hohlraumresonator mit ferromagnetischem Material aufweist, an den mindestens drei Tore direkt angekoppelt sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Hohlleiter-Zirkulator so zu verbessern, daß die Frequenzband-Ausnützung wesentlich verbessert wird. Der Hohlleiter-Zirkulator, der einen Hohlraumresonator mit ferromagnetischem Material aufweist, an den mindestens drei Tore direkt angekoppelt sind, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß jedes Tor eine Hohlleiter-Länge hat, die eine Grenzfrequenz über der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators ergibt, so daß bei der Resonanzfrequenz in diesen Hohlleiter-Längen nur abklingende Wellen auftreten können, und daß diese Hohlleiter-Längen einen imaginären Blindwiderstand aufweisen und durch einen Blindwiderstand abge-

12. 2.1970

. „ 9 _

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schlossen sind, der der konjugierte Wert zu dem imaginären Wellenwiderstand der Hohlleiter-Länge ist. Da dieser Zirkulator nach dem Dämpfungstyp aufgebaut ist, wird die bessere Frequenzband-Ausnützung erreicht.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Hohlleiter-Zirkulator mit drei im Querschnitt rechteckförmigen Toren,

L· Fig. 2 . eine Übertragungsleitung, die einem Abschnitt

eines Tores des Zirkulators nach Fig. 1 für abklingende H-Wellen identisch ist,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für einen Abschnitt, Fig. 4 die Leistungsgröflen eines Zirkulators nach Fig. 1,

Fig. 5 einen Hohlleiter-Zirkulator mit drei im Querschnitt rechteckförmigen Toren, deren Innenseitenwände mit ferromagnetischem Material bedeckt sind,

Fig. 6 die wirksame Permeabilität in Abhängigkeit der Frequenz bei quermagnetisierten Ferriten,

Fig. 7 den Querschnitt eines Abschnittes, dessen Seitenwände ferromagnetische Streifen tragen, und

Fig. 8 die Durchgangsdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz für einen Hohlleiter-Ab schnitt, dessen Seitenwände mit Ferritstreifen belegt sind, im Bereich der Grenzfrequenz bei verschieden großer Gleichstrom-Feldstärke.

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Fig. 1 zeigt einen Zirkulator mit drei Toren und einem zentralen Hohlraumresonator 1, der ferromagnetisches Material 2 enthält. Das ferromagnetische Material ist einem Gleichstrom-Magnetfeld H- in der angezeigten Richtung ausgesetzt, um eine Zirkulation entgegen dem Uhrzeigersinn zu erhalten.

Die drei Tore 4 des Zirkulators sind im Aufbau und in der Wirkungsweise identisch. Jedes Tor besteht aus einem im Querschnitt rechteckförmigen Abschnitt eines Hohlleiters mit der Länge 2f und zwei kapazitiven Abgleichschrauben 6 und 7 auf der längsgerichteten Mittellinie der oberen,.breiteren Wand des Hohlleiters. Der Längsabstand zwischen den Schrauben 6 und 7 ist £und jede Schraube ist im Abstand von S/2 vom Mittelpunkt der Hohlleiter-Gesamtlänge angeordnet. Jede Schraube ragt in den zugeordneten Hohlleiter.

Der rechteckförmige Querschnitt, d. h. die Höhe und die Weite, des Hohlleiters ist so ausgelegt, daß bei der Betriebsfrequenz des Zirkulators, das ist bei der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 1, die Grenzfrequenzen aller Hohlleiter-Längen 5 über der Betriebsfrequenz liegen. Bei einer Betriebsfrequenz von 4 GHz hat jede Länge 5 eine Höhe von 0, 4 Zoll und eine Weite von 0, 9 Zoll.

Nimmt man an, daß Energie mit der geforderten Betriebsfrequenz im Η-Mode am äußeren Ende des linken Eingangs-Tores 4 anliegt, dann sind alle Wellenarten in der Hohlleiter-Länge abklingend, da deren Grenzfrequenz über der Betriebsfrequenz liegt.

Bei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz zeigt ein Hohlleiter ein Verhalten, das allen mit Einzelelementen aufgebauten Filtern im Sperrbereich eigen ist. Der Wellenwiderstand ist reell im Durchlaßbereich

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und imaginär im Sperrbereich.

In Fig. 2 ist eine Übertragungsleitung gezeigt, die einem Abschnitt mit der Länge Idee Eingangs-Tores 4 entspricht. Dieser Abschnitt hat einen positiven imaginären Wellenwiderstand JZ und eine reelle Ausbreitungskonstante y . Für abklingende Η-Wellen stellt der Hohlleiter-Abschnitt eine reine Induktivität dar. Das Ersatzschaltbild für die Leitung nach Fig. 2 ist in Fig. 3 gezeigt, und zwar alsJf-Glied, dessen induktive Blindwiderstände eine Funktion von Z₁, y und f/ sind.

Wenn ein Hohlleiter-Abschnitt mit einem Kondensator C abgeschlossen

wird, dessen kapazitiver Blindwiderstand X_ zum induktiven Blindem

widerstand des Abschnittes konjugiert ist, dann erfolgt verlustlose Energieübertragung durch den Abschnitt. Die Energieübertragung ist jedoch frequenzabhängig und der Abschnitt verhält sich wie ein Bandpaß-Filter.

Die Grenzfrequenzen f und f des Bandpaß-Filters sind: il f tanh 2 . ^yl . t

^h ^zoi · «"Γ- ^c

2)

z_ol .2JT. c

Die geometrische Mittenfrequenz f ■ rf, . f_ des Bandpaß-Filters wird dann:

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3)

2JT. Z₀₁ . C

Die Bandbreite ist eine Funktion von y . Im idealen, verlustlosen Fall wird y . £, ■"*" cx=> und demzufolge tanh y . £, —^ coth y

und die Bandbreite (f - f ) —ψ- ο.

1. Ci

Das Eingangs-Tor verhält sich wie ein Bandpaß-FiIter mit zwei Abschnitten, bei dem der erforderliche Wert der Kapazität für jeden Abschnitt zur konjugierten Anpassung an die Induktivität des betreffenden Abschnittes durch die kapazitiven Schrauben 6 und 7 des Eingangs-Tores eingestellt werden kann.

Aus diesem Grunde wird über das Eingangs-Tor zum zentralen Hohlraumresonator und nach einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn zum benachbarten Tor eine verlustlose Energieübertragung ausgeführt. Auch im Aus gangs-Tor kann auf die gleiche Weise eine verlustlose Energieübertragung erreicht werden.

Fig. 4 zeigt die Leistungsgrößen eines Hohlleiter-Zirkulators nach Fig. 1, der Abschnitte mit rechteckförmigem Querschnitt mit den Innenabmessungen 0, 622 Zoll χ 0, 40 Zoll, kapazitive Abgleichschrauben 8 B. A. und einen Ferritkörper mit 0, 32 Zoll im Durchmesser und 0, 40 Zoll in der Länge aufweist.

Die Wirkungsweise des Zirkulators ist normal, wenn zur Energieübertragung von einem Eingangs-Tor zu einem benachbarten Ausgangs-Tor nur die Richtung verwendet wird, die durch das dem ferromagnetische Material zugeführte Magnetfeld bestimmt ist.

Üiu Anv/ffidung einos Zirkulator» ist ebenfalls normal, wenn ein

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Tor mit einer Antenne, ein Tor mit einem Mikrowellen-Rundfunksender und ein Tor mit einem Mikrowellen-Rundfunkempfänger gekoppelt wird.

Die Energieübertragung außerhalb des Zirkulators kann über normale Ausbreitungs-Hohlleiter ausgeführt werden. Dabei ist an jedem Übergang von einem Hohlleiter, der unterhalb seiner Grenzfrequenz betrieben wird, und dem größer ausgelegten Ausbreitungs-Hohlleiter eine weitere kapazitive Abgleichschraube zur Anpassung vorgesehen. Davon abweichend kann der Zirkulator auch in ein Mikrowellen-System eingekoppelt werden, das nur aus Hohlleitern besteht, die unterhalb der Grenzfrequenz betrieben werden.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführung eines Zirkulators mit drei Toren, bei dem gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen tragen, wie beim Zirkulator nach Fig. 1. Jedes Tor verhält sich hier wie ein Bandpaß-Filter aus Hohlleitern, die unterhalb der Grenzfrequenz betrieben werden, bei dem bei der Betriebsfrequenz verlustlose Energieübertragung stattfindet.

Jedes Tor 4 ist als Hohlleiter aufgebaut, dessen Höhe und Weite auf die Ausbreitung der Betriebsfrequenz abgestimmt sind. Jedes Tor enthält Belastungsstreifen 8 aus ferromagnetischem Material, z. B. * Ferrit oder Granat. Diese Belastungsstreifen sind symmetrisch an allen Seitenwänden angebracht und einem Gleichstrom-Magnetfeld H-, ausgesetzt.

Es steht fest, daß mit quer magnetisierten Ferrit en in einem rechteckförmigen Hohlleiter (H - Mode) die Grenzfrequenz durch ein Gleichstrom-Magnetfeld gesteuert werden kann. Die Grenzfrequenz

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kann kleiner und größer gemacht werden, als bei einem Hohlleiter ohne diese Streifen. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß die wirksame Permeabilität AjU eines Ferriten durch ein Gleichstrom-Magnetfeld von positiven auf negative Werte geändert werden kann.

In Fig. 6 ist diese Abhängigkeit dargestellt, wobeiUfL, die Grenz-

c^o

frequenz und U9die gyromagnetische Resonanz für das unendlich kleine Ferritmedium bedeuten. Bei (Ug, > O ist das RF-FeId im Ferriten konzentriert, während bei (U.>C O die RF-Energie vom Ferriten ausgeschlossen wird, so daß die wirksame Weite des Hohlleiters reduziert wird. Dieser Effekt ist in Fig. 7 erläutert.

In jedem Tor des Zirkulators nach Fig. 5 werden auf Grund des angelegten Magnetfeldes die Hohlleiter-Längen unterhalb der Grenzfrequenz betrieben. Diese Bedingung ist in Fig. 8 dargestellt, wobei gezeigt ist, daß die Grenzfrequenz jedes Tores von der Größe des Gleichstrom-Magnetfeldes abhängig ist. Das Magnetfeld kann verändert werden. Wird ein Permanentmagnet verwendet, dann sind die Magnetpole verstellbar. Beim Einsatz eines Elektromagneten ist der Strom einstellbar.

Jedes Tor des Zirkulators ist durch Änderung des Magnetfeldes in der Frequenz abgleichbar. Eine Verstärkung des Magnetfeldes führt zu einer Erhöhung der Frequenz und eine Schwächung des Magnetfeldes zu einer Reduzierung der Frequenz.

Da die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 1 durch das Magnetfeld veränderbar ist, ist der Zirkulator in der Frequenz einstellbar.

Der Zirkulator kann auch mit Hohlleiter-Toren aufgebaut werden, die quadratischen oder runden Querschnitt aufweisen.

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Bei den Zirkulatoren nach Fig. 1 und Fig. 5 kann jedes Tor einen, drei oder mehr Abschnitte aufweisen, die alle eine einzige Abgleichschraube tragen.

Bei beiden beschriebenen Zirkulatoren können die kapazitiven Schrauben auch durch andersartige kapazitive Abgleichmittel, wie z. B. einstellbare kapazitive Membranen, ersetzt werden.

Die beschriebenen Zirkulatoren weisen eine wesentlich breitere Frequenzband-Ausnützung auf, wie konventionelle (zerstreuende) Hohlleiter-Zirkulatoren. Dies rührt daher, da sich die unterhalb der Grenzfrequenz betriebenen Tore wie Leitungen verhalten, die aus Einzelelementen aufgebaut sind.

11 Patentansprüche

3 Bl. Zeichnungen, 8 Fig.

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Claims

R. F. Skedd - 2 - 9 - Patentansprüche

1.) Hohlleiter-Zirkulator, der einen Hohlraumresonator mit ferromagnetischem Material aufweist, an den mindestens drei Tore direkt angekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Tor eine Hohlleiter-Länge hat, die eine Grenzfrequenz über der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators ergibt, so daß bei der Resonanzfrequenz in diesen Hohlleiter-Längen nur abklingende Wellen auftreten können, und daß diese Hohlleiter-Längen einen imaginären Blindwiderstand aufweisen und durch einen Blindwiderstand abgeschlossen sind, der der konjugierte Wert zu dem imaginären Wellenwiderstand der Hohlleiter-Länge ist.

2. Hohlleiter-Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter-Längen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.

3. Hohlleiter-Zirkulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Hohlleiter-Länge ferromagnetische Belastungsstreifen trägt, die einem quer gerichteten Magnetfeld ausgesetzt sind, und daß darüber die wirksamen Abmessungen der Hohlleiter-Länge auf die gewünschte Grenzfrequenz einstellbar sind.

4. Hohlleiter-Zirkulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter-Länge an beiden Seitenwänden symmetrisch mit ferromagnetischem Material bedeckt ist.

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5. Hohlleiter-Zirkulator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Ferrit als ferromagnetisches Material verwendet ist.

6. Hohlleiter-Zirkulator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Granat als ferromagnetisches Material verwendet ist.

7. Hohlleiter-Zirkulator nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, dadurch fc gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch einen Permanent-

magneten erzeugt ist.

8. Hohlleiter-Zirkulator nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch einen Elektromagneten

erzeugt ist.

9. Hohlleiter-Zirkulator nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz und die Resonanzfrequenz durch Änderung des anliegenden Magnetfeldes veränderbar sind.

10. Hohlleiter-Zirkulator nach einem oder mehreren der Ansprüche

2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Abschluß-Blind widerstände kapazitive Abgleichschrauben verwendet sind.

11. Hohlleiter-Zirkulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hohlleiter-Länge aus einem oder mehreren Abschnittei besteht, von denen jeder eine kapazitive Abgleichschraube in einer breiten Wand des Hohlleiters trägt.

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