DE2163305B2 - Verbindungs-zirkulator mit einem ferritkoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbindungs-Zirkulator mit einem Ferritkörper.

Zirkulatoren dieser Art sind nach dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in der Zeitschrift »NTZ«, 1965, Heftl, S. 7 bis 16, beschrieben. Diese Eirkulatoren bestehen aus einer dreiarmigen Wellenleiter-Verzweigung mit einem Ferritkörper im Zentrum. Dieser Ferritkörper bildet ein gyromagnetisches Medium, das unter der Einwirkung eines magnetischen Gleichfeldes steht. Dabei wird durch die Materialeigenschaften des Ferritkörpers bewirkt, daß die Dämpfung eier zwischen zwei Anschlußpunkten übertragenen Mikrowellensignale in der einen Richtung klein und in der Gegenrichtung vergleichsweise sehr groß ist.

Bei diesen Zirkulatoren ergibt sich in der Praxis das Problem, daß die übertragbare Hochfrequenzleistung von der Art des verwendeten Ferritmaterials begrenzt wird. Bei Überschreiten einer bestimmten Feldstärke ergeben sich nämlich Nichtlinearitäten der Materialeigenschaften, die zu einer erhöhten Dämpfung der zu übertragenden Hochfrequenzenergie führen. Wie beispielsweise aus der eingangs genannten Veröffentlichung in der »NTZ« bekannt ist, wird die maximal übertragbare Hochfrequenzleistung, oberhalb der diese Nichtlinearitäten einsetzen, durch Materialparameter des Ferritkörpers, vornehmlich die Spinwellen-Linienbreite Hk, bestimmt. Je größer diese Spinnwellen-Linienbreite Hk ist, desto größer ist die maximal verarbeitbare Hochfrequenzenergie. Mit zunehmender Spinwellen-Linienbreite des Ferritmaterials wächst jedoch auch die Einfügungsdämpfung eines Zirkulator an, so daß in der Praxis bei der Auswahl des Ferritmaterials für einen Zirkulator stets ein Kompromiß gefunden werden muß zwischen zulässiger Einfügungsdämpfung und maximal verarbeitbarer Hochfrequenzleistung, mithin ein mittlerer Wert der Spinwellen-Linienbreite.

Die F i g. 1 der Zeichnung stellt schematisch die verschiedenen Übertragungswege eines Zirkulator dieser Art mit den dabei auftretenden Dämpfungseigenschaften dar. Dabei ist ein Sender Tx mit dem Anschlußpunkt 1 verbunden, ein Empfänger Rx mit dem Anschlußpunkt 3 und die gemeinsame Antenne Ae mit dem Anschlußpunkt 2. Hochfrequenzenergie vom Sender Tx, die am Anschlußpunkt 1 eingespeist wird, wird mit geringer Dämpfung Li-2 zum Antennenanschlußpunkt 2 überragen, jedoch nicht zum Empfängeranschlußpunkt 3, weil in dieser Richtung der Zirkulator eine hohe Dämpfung Li-3 aufweist.

In ähnlicher Weise wird ein an der Antenne Ae empfangenes Signal über den Anschlußpunkt 2 an den Empfängeranschlußpunkt 3 mit der geringen Dämpfung L23 übertragen, jedoch nicht zum Senderanschlußpunkt 1, da in dieser Richtung der Zirkulator die hohe Dämpfung L2-1 bewirkt.

Gewöhnlich liegen die Einfügungsdämpfungen Li 2, L23und L3-1 im selben Größenordnungsbereich,nämlich zwischen 0 und 1 dB. Die Einfügungsdämpfungen in Gegenrichtung L21, Lj-2 und L1-3 sind einander ebenfalls ähnlich und liegen im Bereich zwischen 10 und 4OdB. Wie oben bereits erläutert, hat ein nach dem Stand der Technik bekannter Zirkulator dieser Art den Nachteil, daß die Spinwellen-Linienbreite Hk des Ferritmaterials so ausgewählt wird, daß zunächst einmal die durch den Sender erzeugte Leistung übertragen werden kann. Dabei ergibt sich eine verhältnismäßig hohe Einfügungsdämpfung (L1-2, L2-3, L31) in Vorwärtsübertragungsrichtung zwischen allen Anschlußpunkten. Überdies ergibt sich das Problem, daß bei einer Fehlanpassung der Antenne am Anschlußpunkt 2 ein ziemlich hoher Energiebetrag zurückreflektiert und über den Anschlußpunkt 3 zum Empfänger Rx übertragen werden kann. Damit der Empfänger gegen diese hohe rückreflektierte Hochfrequenzleistung geschützt ist, muß gewöhnlich eine Art von Begrenzungseinrichtung zwischen dem Anschlußpunkt 3 und dem Empfänger vorgesehen werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Zirkulator der eingangs genannten Art zu schaffen, der ohne Auftreten von Nichtlinearitäten hohe Leistungen übertragen kann und dennoch eine niedrige Einfügungsdämpfung aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ferritkörper Bereiche mit unterschiedlicher Spinwellen-Linienbreite aufweist, derart, daß die Spinwellen-Linienbreite der Bereiche in der Nachbarschaft der Anschlußpunkte der Feldstärke des in diesem Bereichen im Betrieb vorhandenen Hochfrequenzfeldes angepaßt ist und der übrige Bereich des Ferritkörpers eine eine geringe Einfügungsdämpfung ergebende Spinwellen-Linienbreite hat.

Auf diese Weise wird erreicht, daß auch bei sehr hoher Übertragungsleistung die Hochfrequenzfeldstärke an keinem Punkt des Zirkulators die ohne Nichtlinearitäten verarbeitbare Feldstärke überschrei-

let und daß dennoch der Zirkulator eine sehr niedrige Einfügungsdämpfung, insbesondere im Übertragungsweg zwischen der Antenne und dem Empfänger, aufweist, die nach dem Stand der Technik nur bei Zirkulatoren für sehr geringe Leistung erzieh werden konnte. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Bereiche mit verschiedener Spin wellen-Linienbreite wird zudem vorteilhafterweise zwischen vorgewählten Anschlußpunkten, beispielsweise zwischen dem Antennenanschlußpunkt und dem Empfängeranschiußpunkt. ein selbstbegrenzendes Dämpfungsvei halten erreicht, so daß sich Schutzmaßnahmen an dem Empfänger gegen die bei Fehlanpassung der Antenne rückreflektierte Hochfrequenzenergie erübrigen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Zirkulators ist vorgesehen, daß die Bereiche unterschiedlicher Spinwellen-Linienbreite im Ferritkörper durch Zusatz von seltenen Erden wie Dysprosium oder Terbium in örtlich unterschiedlicher Menge und Zusammensetzung gebildet sind.

Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, daß die Bereiche unterschiedlicher Spinwellen-Linienbreite durch örtlich unterschiedliche Korngröße des Ferritkörpers oder durch örtlich unterschiedliche Porosität des Ferritkörpers gebildet sind.

Zur Anpassung des Zirkulators an bestimmte Aufgaben und Anwendungsbereiche können vorteilhafte Eigenschaften des Zirkulators auch dadurch erzielt werden, daß die Bereiche unterschiedlicher Spinwellen-Linienbreite im Festkörper entweder durch definierte Grenzen getrennt sind oder aber fließend ineinander übergehen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Zirkulators und

F i g. 2 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Ferritscheibe des erfindungsgemäßen ferrimagnetischen Hochleistungs-Verbindungs-Zirkulators.

Wie in der F i g. 2 dargestellt ist, ist ein Sender mit dem Anschlußpunkt 1, ein Empfänger mit dem Anschlußpunkt 3 und eine gemeinsame Antenne mit dem Anschlußpunkt 2 verbunden. Das (nicht schraffiert dargestellte) Hauptvolumen 4 des gyromagnetischen Mediums besteht aus Ferritmaterial mit einer mittleren Spinwellen-Linienbreite. Ein anderer Teil des Mediums ist aus drei (kreutschraffiert dargestellten) Bereichen 5 zusammengesetzt, die eine hohe Spinwellen-Linienbreite Hk besitzen und die beiderseits der Anschlußpunkte 1 und 2 angeordnet sind. Ein weiterer (schraffiert dargestellter) Bereich 6 mit geringerer Spinwellen-Linienbreite umgibt den Anschlußpunkt 3. Die Spinwellen-Linienbreite der verschiedenen Bereiche ist so ausgewählt, daß einerseits die verhältnismäßig hohe übertragene Hochfrequenzleistung, die im Betrieb zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2 vorhanden ist, und zudem auch die verhältnismäßig geringe Hochfrequenzleistung, die im Betrieb zwischen den Anschlußpunkten 2 und 3 übertragen wird, berücksichtigt ist Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Zirkulators stehen die Spinwellen-Linienbreiten der Bereiche 5, 6 und 4 im Verhältnis

und

Die angegebenen Verhältnisse der Spinwellen-Linienbreiten der verschiedenen Bereiche sind als typisch anzusehen, sie stellen jedoch lediglich ein Ausführungsbeispiel im Rahmen des Erfindungsgedankens dar. Es ist besonders zu vermerken, daß

1. die am Anschlußpunkt 1 eingespeisten hohen Energiepegel eine solche Feldstärkeverteilung hervorrufen, bei der das Hochfrequenzfeld ein Ferritmaterial vorfindet, das dazu in der Lage ist, der jeweiligen Feldstärke standzuhalten. Dadurch wird die Gesamtdämpfung zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2 im Vergleich zu den Verhältnissen reduziert, wie sie vorhanden wären, wenn das Material homogen, d. h. von einheitlicher Spinwellen-Linienbreitf wäre und dementsprechend an jedem Punkt der maximalen Feldstärke standhalten könnte;

2. Signale geringer Energie am Anschlußpunkt 2 eine Feldstärkeverteilung hervorrufen, bei der die größte Intensität in den Bereichen vorliegt, in denen das Ferritmaterial die geringste Spinwellen-Linienbreite aufweist. Dadurch wird bewirkt, daß die Einfügungsdämpfung zwischen den Anschlußpunkten 2 und 3 geringer ist als zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2; und

3. ein Signal hoher Energie, das durch eine Fehlanpassung der Antenne in den Anschlußpunkt 2 hineinreflektiert würde, bei ausreichend hohem Feldstärkepegel zu Nichtlinearitäten im Ferritmaterial führen würde, da ein Material mit geringer Spinwellen-Linienbreite Hk vorgefunden wird. Bei Überschreiten der maximal zulässigen Feldstärke ergibt sich somit eine erhöhte Dämpfung und eine gewisse Begrenzung der übertragenen Hochfrequenzenergie und somit eine für den Empfangskanal vorteilhafte Schutzwirkung.

Der spezielle innere Aufbau des inhomogenen Ferritkörpers kann unter Berücksichtigung der Belange einer speziellen Anwendung so gewählt werden, daß entweder die Einfügungsdämpfung zwischen den Anschlußpunkten 2 und 3 oder die Einfügungsdämpfung zwischen den öffnungen 1 und 2 optimiert ist, oder daß die Begrenzungswirkung zwischen den Anschlußpunkten 2 und 3 oder einer beliebigen Kombination der Anschlußpunkte den Erfordernissen optimal angepaßt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verbindungs-Zirkulator mit einem Ferritkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkörper Bereiche (4, 5, 6) mit unterschiedlicher Spinwellen-Linienbreite aufweist derart, daß die Spinwellen-Linienbreite.der Bereiche (5, 6) in der Nachbarschaft der Anschlußpunkte (1, 2, 3) der Feldstärke des in diesen Bereichen im Betrieb vorhandenen Hochfrequenzfeldes angepaßt ist und der übrige Bereich (4) des Ferritkörpers eine eine geringe Einfügungsdämpfung ergebende Spinwellen-Linienbreite hat

2. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (4,5,6) unterschiedlicher Spin wellen-Linienbreite im Ferritkörper durch Zusatz von seltenen Erden wie Dysprosium oder Terbium in örtlich unterschiedlicher Menge und Zusammensetzung gebildet sind.

3. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (4,5,6) unterschiedlicher Spinwellen-Linienbreite durch örtlich unterschiedliche Korngröße des Ferritkörpers gebildet sind.

4. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (4,5,6) unterschiedlicher Spinwellen-Linienbreite durch örtlich unterschiedliche Porosität des Ferritkörpers gebildet sind.

5. Zirkulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (4,5,6) unterschiedlicher Spinwellen-Linienbreite im Festkörper durch definierte Grenzen getrennt sind.

6. Zirkulator nach einem dpr Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (4, 5, 6) unterschiedlicher Spinwellen-Linienbreite im Festkörper fließend ineinander übergehen.