CS223957B2

CS223957B2 - Circulator and isolator made between magnetic fields from high-frequency ferrite or granate bodies

Info

Publication number: CS223957B2
Application number: CS419478A
Authority: CS
Inventors: Peter Barsony; Pal Gyuri; Gyula Enzsoel
Original assignee: Tavkoezlesi Kutato Intezet
Priority date: 1977-07-01
Filing date: 1978-06-27
Publication date: 1983-11-25
Also published as: PL114058B1; DD135953A5; HU175308B; PL208011A1

Description

Vynález se týká cirkulétoru a izolátoru, vytvořeného mezi magnetickými póly z vysokofrekvenčních feritových nebo granátových těles, přičemž sousední povrchy vysokofrekvenčních feritových nebo granátových těles a magnetických pólů mají různé rozměry.The invention relates to a circulator and an insulator formed between the magnetic poles of high-frequency ferrite or garnet bodies, the adjacent surfaces of the high-frequency ferrite or garnet bodies and magnetic poles having different dimensions.

Cirkulétory a izolátory mají širokou oblast upotřebeni ve velkých mikrovlnných zařízeních, ve sdělovacích systémech, v radarové technice, jakož i v měřicích zapojeních. Tyto přístroje mají za úkol oddělovat škodlivé odrazy nebo předávat vysokofrekvenční energii usměrněnou. Tyto přístroje mejí nereciproční charakter, čehož je dosahováno nerecipročitou a asymetrickým tensometrem permeability použitých feritových nebo granátových materiálů (v dalěím bude pod společný název ferit pojat i granát). Podle funkčního principu se přitom ferit magnetuje stejnosměrným magnetickým polem.Circulators and insulators have a wide range of applications in large microwave equipment, communication systems, radar technology, as well as measurement circuits. These devices are designed to isolate harmful reflections or transmit rectified RF energy. These devices have non-reciprocal character, which is achieved by non-reciprocal and asymmetric tensometer of permeability of used ferrite or garnet materials (in the following the common name will also include a garnet). According to the functional principle, ferrite is magnetized by a direct magnetic field.

U známých řešení se používá feritů rozdílné geometrie, obecně válcovitých nebo hranoloví tých feritových profilů se čtyřúhelníkovou nebo trojúhelníkovou základnou a tyto se sestavují podle požadavků do trubkovitých, páskových, souosých a mikrostripových vedení, jakož i do přípojných uzlů, načež se feritové kusy magnetují homogenním a ke směru šíření kolmým magnetickým stejnosměrným polem. K přizpůsobení výstupních otvorů jsou v těchto přístrojích umístěny mimo feritových kusů většinou i různorodé přizpůsobovací prvky, do nichž je pojata i určité část feritového tělesa. U dosavadních forem řešení je tento pro přizpůsobení vložený feritový díl magnetován rovněž kolmo ke'směru šíření. Podle jiné metody se tento feritový díl vůbec nemagnetuje stálým magnetickým polem a využívá se permitivity feritu. V praxi vývoje přístrojů je obecně stanoven cíl vytvářet zařízení s pokud možno malými rozměry, ale se stéle lepšími technickými parametry.In the known solutions, ferrites of different geometry, generally cylindrical or prismatic, of ferrite profiles with a quadrangular or triangular base are used and are assembled as required into tubular, ribbon, coaxial and microstrip lines as well as connecting nodes, whereby the ferrite pieces are magnetized homogeneously. to the direction of propagation by a perpendicular magnetic DC field. In order to accommodate the outlet openings, in addition to ferrite pieces, a variety of adapters are also located in these devices, in which a certain part of the ferrite body is accommodated. In prior art solutions, the ferrite part inserted for adaptation is also magnetized perpendicular to the direction of propagation. According to another method, this ferrite part is not magnetized at all by a permanent magnetic field and the permittivity of ferrite is used. In the practice of device development, the goal is generally to create devices with as small a size as possible but with increasingly better technical parameters.

Čím existuje v přizpůsobovacích sítích cirkulétorů a izolátorů více členů, tím llfcší je přenosové pásmo přístrojů, což ale mé za následek vzrůst potřebného prostoru a ztrétf vzniknuvší parazitní reektance způsobují pak podstatné zúžení teoretické Šířky pásma.The more members there are in the adaptive networks of circulators and insulators, the better the bandwidth of the devices is, but this results in an increase in the space required and the loss of the parasitic rectectances resulting in a substantial narrowing of the theoretical bandwidth.

V praxi se proto dévó přednost jednočlennému přizpůsobení, většinou čtvrtvlnnómu impedančnímu transformátoru. Sestrojí-li se přizpůsobovací sil s feritovým télesem, uplatní sa pro vysokou permitivitu feritu mimořádné výhodné vlastnosti malých rozměrů.In practice, therefore, a one-piece matching, mostly a quarter-wave impedance transformer, is preferred. If a matching force with a ferrite body is constructed, the extraordinary advantageous properties of the small dimensions are used for the high permittivity of the ferrite.

Uvedené nevýhody jsou u cirkulétoru a izolátoru odstraněny podle vynálezu, jehož podsta- j ta spočívá v tom, že magnetické póly jsou vůči jejich dělicí ploSe asymetrické a alespoň , jeden z magnetických pólů mé menší povrch než nejbližší ferit nebo granát nebo jeden z dílčích povrchů téhož pólu magnetu je menší než povrch feritu nebo granátu.These disadvantages are eliminated with the circulator and the insulator according to the invention, which is characterized in that the magnetic poles are asymmetrical to their separating surface and at least one of the magnetic poles has a smaller surface than the nearest ferrite or grenade or one of the partial surfaces of the same. the pole of the magnet is smaller than the surface of the ferrite or grenade.

Výhodou cirkulétorů a izolátorů podle vynálezu je, že se k přizpůsobení využívá čéstl nebo celého feritového tělesa, přičemž v protikladu k dosud známým řešením je feritové těleso magnetováno magnetickým polem nehomogenně, a sice tak, že část feritového tělesa je magnetována kolmo ke směru šíření, druhé část je ale magnetována tak, že zde stejnosměrné magnetické pole mé jak kolmé, tak podélné složky. Ve feritu je tedy směr stejnosměrného magnetického pole v každém případě nehomogenní, ale nehomogenní může být i jeho velikost. Dosahuje se přenosu velmi širokých pásem, přičemž rozměry cirkulétorů a izolátorů jsou zredukovány.The advantage of the circulators and insulators according to the invention is that the reader or the entire ferrite body is used for adaptation, and in contrast to the prior art solutions, the ferrite body is magnetized by a magnetic field inhomogeneously, such that part of the ferrite body is magnetized perpendicularly. however, the portion is magnetized such that here the DC magnetic field has both perpendicular and longitudinal components. Thus, in the ferrite, the direction of the DC magnetic field is in any case inhomogeneous, but its size may also be inhomogeneous. The transmission of very wide bands is achieved, while the dimensions of the circulators and insulators are reduced.

Příklady provedení cirkulétoru a izolátoru podle vynálezu jsou zobrazeny na výkresech/ na nichž na obr. 1 je zobrazeno vysokofrekvenční feritové těleso, na obr. 2 jeou znázorněny dva magnetické póly s různě velkým povrchem včetně vlnovodu a vysokofrekvenčního feritpvého tělesa, na obr. 3 je znázorněno totéž seskupení β magnetickými póly odlišných tvarů a se dvěma vysokofrekvenčními feritovými tělesy, na obr. 4 je stejné seskupení, ale jeden z magnetických pólů je zhotoven z heterogenního magnetického materiálu, u seskupení podle obr. 5 svírá jeden z magnetických pólů úhel nejméně 10° s povrchem feritu,'obr. 6 znázorňuje dva cirkulétory, z nichž u cirkulétoru na pravé straně je otvor opatřen závěrným prvkem a na obr. 7 jsou přenosové charakteristiky cirkulétoru. *1 shows a high-frequency ferrite body, FIG. 2 shows two magnetic poles with different surface sizes, including a waveguide and a high-frequency ferrite body, and FIG. same group of β magnetic poles of different shapes and with two high-frequency ferrite bodies, in Fig. 4 the same grouping, but one of the magnetic poles is made of heterogeneous magnetic material, in the grouping of Fig. 5 one of the magnetic poles forms at least 10 ° the surface of the ferrite, FIG. 6 shows two circulators, of which, in the right-hand circulator, the opening is provided with a locking element, and in FIG. 7, the transmission characteristics of the circulator are shown. *

Na obr. 1 je znázorněn ferit £ v řezu s přípojem £ vlnovodového vedení. Šípkami je znázorněn směr mikrovlnné energie £, přičemž střední úsek & feritu £ je magnetován kolmo na směr šířeni mikrovlnné energie a, kdežto magnetované okrajové úseky £ feritu £ vykazují i podélné složky.In Fig. 1, ferrite 6 is shown in section with a waveguide line connection 6. The arrows show the direction of microwave energy δ, with the central portion < ' >

Nehomogenní magnetické pole může být vytvořeno více způsoby. Podle jedné možnosti je povrch magnetického pólu 1 v blízkosti povrchů (spodní a horní povrch) vysokofrekvenčního feritového tělesa 2 nebo vysokofrekvenčních feritových těles .£, ležících proti magnetickému pólu '1 vytvořen jako rovinné plocha, přičemž jeden z povrchů se liší nejméně o 10 % od druhého a nejméně jeden z nich je menší než sousední povrch vysokofrekvenčního feritového tělesa 2. Pod magnetickými póly 1 rozumí se magneticky tvrdé a měkké materiály, permanentní magnety, elektromagnety, měkké železo, nevysokofrekvenční ferit a jiné materiály o nízkém magnetickém odporu. To je znázorněno schematicky na obr. 2, kde magnetické póly_£ jsou umístěny vně stěn 2 vlnovodu, přičemž protilehlé povrchy £ magnetických pólů 1 mají různou velikost. Mezi stěnami ž. vlnovodu je pak umístěno jedno vysokofrekvenční feritové těleso 2.Inhomogeneous magnetic fields can be generated in several ways. According to one possibility, the surface of the magnetic pole 1 near the surfaces (lower and upper surface) of the high-frequency ferrite body 2 or of the high-frequency ferrite bodies 6 opposing the magnetic pole 1 is formed as a planar surface, one of the surfaces being at least 10% different from the second and at least one of them is smaller than the adjacent surface of the high-frequency ferrite body 2. Magnetic poles 1 are magnetically hard and soft materials, permanent magnets, electromagnets, soft iron, high-frequency ferrite and other low magnetic resistance materials. This is shown schematically in FIG. 2, where the magnetic poles 6 are located outside the walls 2 of the waveguide, the opposing surfaces 6 of the magnetic poles 1 having different sizes. Between the walls ž. the waveguide is then placed one high-frequency ferrite body 2.

Nehomogenní magnetické pole se dá realizovat bu3 tak, že alespoň jeden z protilehlých povrchů £ magnetických pólů £ se vytvoří nikoliv jako rovinné plocha a jejich alespoň část se vytvoří tak, že tato á sousední povrch £ vysokofrekvenčního feritového tělesa 2 svírají úhel alespoň 10° (viz obr. 3), nebo tak, že se protilehlý povrch J alespoň jednoho magnetického pólu zhotoví z heterogenního magnetického materiálu, jak je to naznačeno na obr. 4.The inhomogeneous magnetic field can be realized either so that at least one of the opposite surfaces 6 of the magnetic poles 6 is formed not as a planar surface and at least a part thereof is formed such that the adjacent surface 4 of the high-frequency ferrite body 2 forms at least 10 °. 3), or in that the opposite surface J of the at least one magnetic pole is made of a heterogeneous magnetic material as indicated in FIG. 4.

U provedení podle obr. 5 je protilehlý povrch £ jednoho magnetického pólu £ vytvořen tak, že svírá úhel nejméně 10° se sousedním povrchem £ vysokofrekvenčního feritového tělesa 2.In the embodiment of FIG. 5, the opposite surface 4 of one magnetic pole 4 is formed such that it forms an angle of at least 10 ° with the adjacent surface 4 of the high-frequency ferrite body 2.

Je v rámci tohoto vynálezu i případné zkombinování uvedených řešení.It is also within the scope of the invention to combine said solutions.

Na obr. 6 vlevo je znázorněn cirkulétor zkonstruovaný podle vynálezu, a to jednak v řezu, jednak v půdorysnám pohledu. Při použití techniky integrovaných obvodů se tento cirkulétor hodí pro uzlový mikrostrip. Pomoci techniky tenkých vrstev byl tento cirkulétor vytvořen na feritovém nosiči rozměrů 228,60 x 19,05 mm. Je složen z kotoučovitého mezikusu a tří transformátorů pro přizpůsobení a vytvoření širokého pásma. Na vysokofrekvenčním feritovém tělese £ je nanesena vrstvička 8.FIG. 6 on the left shows a circulator constructed in accordance with the invention, both in cross-section and in plan view. Using the integrated circuit technique, this circulator is suitable for a nodal microstrip. Using a thin film technique, the circulator was formed on a ferrite support of 228.60 x 19.05 mm. It consists of a disc spacer and three transformers to accommodate and create a wide band. A layer 8 is applied to the high-frequency ferrite body 8.

Jestliže se jeden z otvorů cirkulétoru uzavře přizpůsobeným závěrným prvkem X, obdržíme širokopásmový izolátor, který je zobrazen na pravé části obr. 6.If one of the orifices of the circulator is closed by a matched locking element X, a broadband insulator is shown, which is shown on the right-hand side of Fig. 6.

Obr. 7 ukazuje charakteristiky cirkulátoru z obr. 6, který je magnetován stejnosměrným magnetickým polem vykazujícím také složky nehomogenního šíření. Na obr. 7 jsou znázorněny křivky £, X, £ tří různých otvorů, vyjadřující tlumené v závislosti na kmitočtu, přičemž nahoře jsou zakresleny závěrné charakteristiky a dole charakteristiky propustnosti. Charakteristiky dokazují, že je možno postavit přístroj tohoto druhu s velmi širokým přenosovým pásmem a se zredukovanými geometrickými rozměry.Giant. 7 shows the characteristics of the circulator of FIG. 6, which is magnetized by a DC magnetic field also exhibiting components of inhomogeneous propagation. FIG. 7 shows three different aperture curves,,,, £, expressing damped as a function of frequency, with the closing characteristics and the transmission characteristics below. The characteristics show that it is possible to construct a device of this kind with a very wide transmission band and reduced geometric dimensions.

Bylo popsáno využití vynálezu u plenárních cirkulétorů třetí generace (nejmodernější technika naší doby), vynález však může být využit také u páskových vedení nebo cirkulétorů, popřípadě izolátorů, které jsou vytvořeny ve vlnovodech nebo se soustředěnými parametry.The use of the invention has been described in third generation plenary circulators (state-of-the-art technology of our time), but the invention can also be applied to ribbon lines or circulators or insulators that are formed in waveguides or with concentrated parameters.

' Pomocí tohoto vynálezu může být zkonstruován širokopásmový cirkulétor za použití přizpůsobovacího čtvrtvlnného transformátoru, přičemž se použije homogenního magnetického pole a kontinuálního lineárního přizpůsobení s transformátorem o vlnové délce nejméně lambda.With the present invention, a wideband circulator can be constructed using a quadrilateral transformer adaptation using a homogeneous magnetic field and a continuous linear adaptation with a transformer of at least lambda wavelength.

To ale nevylučuje možnost dosáhnout rozšířené šířky pásma za použití stejnosměrného magnetického pole, které vykazuje i nehomogenní podélné složky.However, this does not exclude the possibility of achieving extended bandwidth using a direct magnetic field, which also exhibits inhomogeneous longitudinal components.

Magnetické pole zahrnující i nehomogenní podélné složky se dá na základě vynálezu vybudovat jednoduše s magnety rozdílného průměru nebo rozměrů (viz obr. 2, 3, 4 a 5).According to the invention, the magnetic field including the non-homogeneous longitudinal components can be constructed simply with magnets of different diameters or dimensions (see Figures 2, 3, 4 and 5).

Míra nehomogenity, úhel a velikost vektoru stejnosměrného magnetického pole, jakož i rozložení siločar, mohou být účelně změněny tím, že se změní místo jednoho nebo obou magnetů.The degree of inhomogeneity, the angle and magnitude of the vector of the direct magnetic field, as well as the distribution of the field lines, can be conveniently altered by changing the location of one or both magnets.

Np základě uvedeného lze tedy konstatovat, že cirkulátory a izolátory podle vynálezu mohou být zhotovovány v redukovaných rozměrech, což má za následek malou spotřebu materiálu,Accordingly, it can be stated that the circulators and insulators of the present invention can be manufactured in reduced dimensions, resulting in low material consumption,

- a proto hospodárnou výrobu.- and therefore economical production.

Nadto se tyto prvky vyznačují velmi rozsáhlou šířkou pásma, což poskytuje předpoklad pro výrobu nejmodernějších přístrojů. Obzvláštní výhoda vynálezu u mikrostripových cirkulátorů spočívá v tom, že v důsledku velmi zredukovaných rozměrů jednoho z magnetických pólů jsou otvory, například při letování, snadno přístupné.In addition, these elements are characterized by a very wide bandwidth, which is a prerequisite for the production of the most modern devices. A particular advantage of the invention in microstrip circulators is that due to the very reduced dimensions of one of the magnetic poles, the openings, for example during soldering, are easily accessible.

Claims

Circulator and insulator formed between magnetic poles of high-frequency ferrite or garnet bodies, the adjacent surfaces of high-frequency ferrite or garnet bodies and magnetic poles having different dimensions, characterized in that the magnetic poles (1) are asymmetric with respect to their dividing surface (6) and at least one of the magnetic poles (1) has a smaller surface than the nearest high-frequency ferrite or garnet body (2) or one of the sub-surfaces of the same magnetic pole (1) is smaller than the surface of a high-frequency ferrite or garnet body (2).

Circulator e insulator according to claim 1, characterized in that the opposing surfaces (3) of the two magnetic poles (1) are planar surfaces which are separated from each other. distinguish by at least 10%,

Circulator b insulator according to claim 1, characterized in that the opposite surface of at least one of the magnetic poles (1) is indented and at least a part thereof and the adjacent surface (4) of the high-frequency ferrite or garnet body (2) form at least 10 °.

Circulator and insulator according to claim 1, characterized in that the opposite surface (3) of at least one of the magnetic poles (1) is of heterogeneous magnetic material.

Circulator and insulator according to claim 1, characterized in that the opposite surface (3) of at least one of the magnetic poles (1) and the surface of the high-frequency ferrite or garnet body (2) form an angle of at least 10 °.