DE2163305C3

DE2163305C3 - Connection circulator with a ferrite body

Info

Publication number: DE2163305C3
Application number: DE19712163305
Authority: DE
Inventors: Andrew Seyfang Springfield Green Chelmsford Essex Hudson (Großbritannien)
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1970-12-19
Filing date: 1971-12-20
Publication date: 1976-09-02

Description

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Die Erfindung betrifft einen Verbindungs-Zirkulator mit einem Ferritkörper.The invention relates to a connection circulator with a ferrite body.

Zirkulatoren dieser Art sind nach dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in der Zeilschrift »NTZ«, 1965, Heftl, S. 7 bis 16, beschrieben. Diese Zirkulatoren 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 der zwischen zwei Anschlußpunkten übertragenen Mikrowellensignale in der einen Richtung klein und in der Gegenrichtung vergleichsweise sehr groß ist.Circulators of this type are known from the prior art and, for example, in cuneiform "NTZ", 1965, booklet, pp. 7 to 16, described. These circulators consist of a three-armed waveguide branch with a ferrite body in the center. This ferrite body forms a gyromagnetic medium, which is under the influence of a constant magnetic field. This is due to the material properties of the ferrite body causes the attenuation of the transmitted between two connection points Microwave signals are small in one direction and comparatively very large in the opposite direction.

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 tier 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. In practice, these circulators have the problem that the high-frequency power that can be transmitted is limited by the type of ferrite material used. When a certain field strength is exceeded, non-linearities of the material properties result, which lead to increased attenuation of the high-frequency energy to be transmitted. As is known, for example, from the publication in the "NTZ" mentioned at the beginning, the maximum transmittable high-frequency power, above which these nonlinearities begin, is determined by the material parameters of the ferrite body, primarily the spin wave line width Hk . The greater this spinning wave line width Hk , the greater the maximum high-frequency energy that can be processed. With increasing spin wave line width of the ferrite material, however, the insertion loss of a circulator also increases, so that in practice when selecting the ferrite material for a circulator, a compromise must always be found between permissible insertion loss and maximum processable high frequency power, i.e. an average value of the spin wave Line width.

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 Anschlußpjnkt 2. Hochfrequenzenergie vom Sender Tx, die am Anschlußpunkt 1 eingespeist wird, wird mit geringer Dämpfung Li 2 zum Antennenanschlußpunkt 2 übertragen, jedoch nicht zum Empfängeranschlußpunkt 3, weil in dieser Richtung der Zirkulator eine hohe Dämpfung Li 3 aufweist.FIG. 1 of the drawing shows schematically the various transmission paths of a circulator of this type with the resulting damping properties. A transmitter Tx is connected to connection point 1, a receiver Rx to connection point 3 and the common antenna Ae to the connection point 2. High-frequency energy from the transmitter Tx, which is fed in at connection point 1, is transmitted with low attenuation Li 2 to antenna connection point 2, but not to receiver connection point 3, because the circulator has high attenuation Li 3 in this direction.

lh ähnlicher Weise wird ein an der Antenne Ae empfangenes Signal über den Anschlußpunkt 2 an den Empfängeranschlußpunkt 3 mit der geringen Dämpfung Li j übertragen, jedoch nicht zum Senderanschlußpunkt 1, da in dieser Richtung der Zirkulator die hohe Dämpfung L21 bewirkt.In a similar way, a signal received at the antenna Ae is transmitted via the connection point 2 to the receiver connection point 3 with the low attenuation Li j, but not to the transmitter connection point 1, since the circulator causes the high attenuation L21 in this direction.

Gewöhnlich liegen die Einfügungsdämpfungen Li 2, L· 3 und Li 1 im selben Größenordnungsbereich, nämlich zwischen 0 und 1 dB. Die Einfügungsdämpfungen in Gegenrichtung Li 1, L3 2 und Li 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 (Li 2, Lm, 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.The insertion losses Li 2, L · 3 and Li 1 are usually in the same order of magnitude, namely between 0 and 1 dB. The insertion losses in the opposite direction Li 1, L3 2 and Li 3 are also similar to one another and are in the range between 10 and 40 dB. As already explained above, a circulator of this type known from the prior art has the disadvantage that the spin wave line width Hk of the ferrite material is selected so that first of all the power generated by the transmitter can be transmitted. This results in a relatively high insertion loss (Li 2, Lm, L31) in the forward transmission direction between all connection points. In addition, the problem arises that if the antenna is mismatched at connection point 2, a fairly large amount of energy can be reflected back and transmitted via connection point 3 to receiver Rx. In order for the receiver to be protected against this high level of retroreflected high frequency power, some kind of limiting device must usually be provided between the connection point 3 and the receiver.

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.The object on which the invention is based is to develop a circulator of the type mentioned at the beginning To create a kind that can transmit high power without the occurrence of non-linearities and still a has low insertion loss.

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.According to the invention this object is achieved in that the ferrite body areas with different Spin wave line width, such that the spin wave line width of the areas in the vicinity the connection points of the field strength of the high-frequency field present in this area during operation is adapted and the remaining area of the ferrite body results in a low insertion loss Has spin wave line width.

Auf diese Weise wird erreicht, daß auch bei sehr hoher Übertragungsleistung die Hochfrequenzfeldstärke an keinem Punkt des Zirkulators die ohne Nichtlinearitäten verarbeitbare Feldstärke überschrei-In this way it is achieved that the high-frequency field strength even with very high transmission power at no point on the circulator does it exceed the field strength that can be processed without non-linearities.

tet 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 erzielt 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 Empfängeranschlußpunkt, ein selbstbegrenzendes Dämpfungsverhalten erreicht, so daß sich Schutzmaßnahmen an dem Empfänger gegen die bei Fehlanpassung der Antenne rückreflektierte Hochfrequenzenergie erübrigen.tet and that the circulator is still very low Insertion loss, especially in the transmission path between the antenna and the receiver, which, according to the state of the art, can only be achieved with circulators for very low power could. The inventive arrangement of the areas with different spin wave line width is also advantageously between preselected connection points, for example between the antenna connection point and the receiver connection point, achieves a self-limiting damping behavior, so that protective measures at the receiver are reflected back against the mismatching of the antenna Eliminate high frequency energy.

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.In a preferred embodiment of the circulator it is provided that the areas are different Spin wave line width in the ferrite body due to the addition of rare earths such as dysprosium or terbium in locally different amount and composition are formed.

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.Advantageously, it can also be provided that the areas of different spin wave line widths by locally different grain size of the ferrite body or by locally different porosity of the Ferrite body are formed.

Zur Anpassung des Zirkulator«! 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.To adapt the circulator «! to certain tasks and areas of application can be advantageous Properties of the circulator can also be achieved in that the areas of different spin wave line widths in the solid are either separated by defined boundaries or they flow into one another pass over.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispielcs vⁿ' ^r Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigtThe invention will in the following with reference to an Ausführungsbeispielcs v ⁿ ^'r explained in more detail referring to the drawing; it shows

F i g. 1 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Zirkulators undF i g. 1 shows an illustration to explain the mode of operation of a circulator and

F i g. 2 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Ferritscheibe des erfindungsgemäßen ferrimagnetischen Hochleistungs-Verbindungs-Zirkulators. F i g. 2 the schematic representation of an embodiment of the ferrite disk of the invention high-performance ferrimagnetic compound circulator.

Wie in der Fig.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 VerhältnisAs shown in FIG. 2, a transmitter is connected to connection point 1, a receiver is connected to connection point 3 and a common antenna is connected to connection point 2. The main volume 4 (not hatched) of the gyromagnetic medium consists of ferrite material with an average spin wave line width. Another part of the medium is composed of three areas 5 (shown cross-hatched) which have a high spin wave line width Hk and which are arranged on both sides of the connection points 1 and 2. Another (hatched) area 6 with a smaller spin wave line width surrounds the connection point 3. The spin wave line width of the various areas is selected so that, on the one hand, the relatively high transmitted high-frequency power that is present between the connection points 1 and 2 during operation, and In addition, the relatively low high-frequency power which is transmitted between the connection points 2 and 3 during operation is also taken into account

H₁ H ₁

Die angegebenen Verhältnisse der Spinwellen-Linienbreiten der verschiedenen Bereiche sind als typisch anzusehen, sie stellen jedoch lediglich ein Ausführungsbeisoiel im Rahmen des Erfindungsgedankens dar. Es ist ι $ besonders zu vermerken, daßThe stated spin wave line width ratios of the various regions are typical view, but they are only an exemplary embodiment within the scope of the inventive concept. It is ι $ special note that

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 Spinwelien-Linienbreite wäre und dementsprechend an jedem Punkt der maximalen Feldstärke standhallen könnte;1. the high energy level fed in at connection point 1, such a field strength distribution cause where the high frequency field finds a ferrite material that is capable of to withstand the respective field strength. This increases the total attenuation between the connection points 1 and 2 reduced compared to the ratios they would be if that Material homogeneous, d. H. would be of uniform Spinwelien line width and accordingly could withstand any point of maximum field strength;

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; und2. Low energy signals at connection point 2 cause a field strength distribution in which the The greatest intensity is in the areas where the ferrite material has the smallest spin wave line width having. This causes the insertion loss between the connection points 2 and 3 is less than between the connection points 1 and 2; and

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.3. A signal of high energy, which would be reflected into the connection point 2 due to a mismatching of the antenna, would lead to nonlinearities in the ferrite material if the field strength level is sufficiently high, since a material with a small spin wave line width Hk is found. If the maximum permissible field strength is exceeded, there is thus increased attenuation and a certain limitation of the transmitted high-frequency energy and thus a protective effect that is advantageous for the receiving channel.

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.The special internal structure of the inhomogeneous ferrite body can take into account the concerns a specific application can be chosen so that either the insertion loss between the Connection points 2 and 3 or the insertion loss between openings 1 and 2 is optimized, or that the limiting effect between the connection points 2 and 3 or any combination of the Connection points is optimally adapted to the requirements.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Connection circulator with a ferrite body, characterized in that the ferrite S body areas (4, 5, 6) with different Spin wave line width has such that the spin wave line width of the areas (5, 6) in the Neighborhood of the connection points (1, 2, 3) of the field strength in these areas during operation existing high-frequency field is adapted and the remaining area (4) of the ferrite body a one spin wave linewidth resulting in low insertion loss has

2. Circulator according to claim 1, characterized in that that the areas (4,5,6) different Spin-white line width in the ferrite body due to the addition of rare earths such as dysprosium or Terbium are formed in locally different amounts and compositions.

3. Circulator according to claim 1, characterized in that the areas (4,5,6) of different Spin wave line width are formed by locally different grain size of the ferrite body.

4. Circulator according to claim 1, characterized in that the areas (4,5,6) of different Spin wave line width are formed by locally different porosity of the ferrite body.

5. Circulator according to one of the preceding claims, characterized in that the ranges (4,5,6) of different spin wave line widths in the solid are separated by defined limits are.

6. Circulator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the areas (4, 5, 6) different spin wave line widths in the solid merge smoothly into one another.