DE1002815B - Frequenz- und Phasenschieber und Modulator fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Frequenz- und Phasenschieber undModulatoren für sehr kurze elektromagnetische Wellen.

Ein Frequenz- oder Phasenschieber für sehr kurze elektromagnetische Wellen ist als »Gardner-Fox-Anordnung« bekanntgeworden. In dieser Anordnung werden die in Phase oder Frequenz zu verschiebenden Wellen — die für den Augenblick linear polarisiert angenommen werden ■—· durch eine A/4-Platte in einen runden Hohlleiter geschickt, wodurch sie in zirkulär polarisierte Wellen transformiert werden, und diese wiederum werden durch eine λ/2-Platte geschickt, die, wenn Frequenzverschiebung gefordert wird, dauernd in ihrer eigenen Ebene mit einer in Abhängigkeit von der geforderten Frequenzverschiebung gewählten Rotationsgeschwindigkeit gedreht wird und, wenn Phasenverschiebung gefordert wird, auf einen willkürlich gewählten Winkel eingestellt wird. Wird Frequenzmodulation gefordert, so wird die Geschwindigkeit der Dauerumdrehung zur Erzeugung der Modulation variiert, während eine Schwingung der Platte in ihrer eigenen Ebene um einen willkürlich gewählten Winkel Phasenmodulation erzeugt. Die aus der A/2-Platte austretenden Wellen sind natürlich zirkulär polarisiert, aber mit einem Drehrichtungssinn, der dem der einfallenden Wellen entgegengesetzt ist. Diese austretenden Wellen werden dann in linear polarisierte Wellen zurücktransformiert, indem sie durch eine zweite λ/4-Platte geschickt werden, die auf denselben Winkel wie die erste eingestellt ist. Wenn die 2/2-Platte gedreht wird, wird die gesamte Weglänge durch die ganze Anordnung um eine Wellenlänge für jede 180°-Drehung dieser Platte vergrößert.

Es ist vorgeschlagen worden, sogenannte Ferrite in einer Anordnung nach »Gardner-Fox«· anzuwenden, indem Ferrit als Material für die λ/2-Platte der Anordnung verwendet wird. Eine solche Anordnung arbeitet, weil bekanntlich die effektive magnetische Permeabilität eines Ferritkörpers, der von einem Magnetfeld im rechten Winkel zur Fortpflanzungsrichtung der Wellen durch diesen Körper magnetisiert wird, von dem Winkel zwischen der Richtung der magnetischen Polarisation der Wellen und der Richtung der Magnetisierung abhängt, sie hat den Wert 1, wenn die Richtung der magnetischen Polarisation parallel zur Richtung der Magnetisierung ist, und sie hat einen anderen Wert, wenn die Richtung der magnetischen Polarisation senkrecht zur Richtung der Magnetisierung ist, wobei dieser andere Wert von dem Wert des Magnetfeldes durch das Ferrit abhängt. Fig. 1 zeigt eine Kurve, aus der die Beziehung zwischen der effektiven Permeabilität μ des Ferrits und dem Wert H der Magnetisierung hervorgeht, wenn die Richtung der magnetischen Polarisation der das Ferrit durchsetzenden Wellen senkrecht zur Richtung der Magnetisierung ist. Die Ordinate ist in Fig. 1 logarithmisch geteilt. In Frequenz- und Phasenschieber

und Modulator für sehr kurze

elektromagnetische Wellen

Anmelder:

Marconi's Wireless Telegraph Company Limited, London

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt, Hannover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 5. Mai 1955 und 17. Februar 1956

Peter Maurice Wright, Great Waltham, Essex,
und Edward Marshall Wells, Chelmsford,

Essex (Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

bekannten Anordnungen, die gemäß der obigen Beschreibung Ferrite enthalten, wird H zu einem sehr kleinen Wert gewählt, so daß nahe der Ordinatenachse der Fig. 1 im gekrümmten Teil der Kurve gearbeitet wird. Wenn bei einer solchen Anordnung das Magnetfeld um eine der Fortpflanzungsrichtung der Wellen entsprechende Achse gedreht wird, arbeitet die Anordnung als Gardner-Fox-Anordnung, und die austretende Welle wird in der Frequenz um Az 2 η verschoben, wenn η die Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde des Magnetfeldes ist. Die Umdrehung des Magnetfeldes kann natürlich entweder mechanisch oder ohne mechanisch bewegte Teile, durch Erzeugung des Feldes als Resultierende aus zwei aufeinander senkrecht stehenden Feldern gleicher Amplitude erreicht werden, deren Energieversorgung in Quadratur erfolgt.

Die vorstehend beschriebene, bekannte Ferritanordnung weist eine Anzahl schwerwiegender Nachteile auf.

Erstens hat die /l/2-Platte beide Linearkomponenten der zirkulären Polarisation zu übertragen, jedoch mit verschiedenen Phasengeschwindigkeiten. Dementsprechend muß gute Impedanzanpassung sowohl am Eingang wie am Ausgang des Ferritkörpers erreicht werden. Das Erreichen einer guten Impedanzanpassung erfordert, daß der Arbeitspunkt des Ferrits so nahe wie möglich an der Ordinatenachse der Fig. 1 liegt, wo der Wert μ gleich 1 ist; aber das Erfordernis, daß die zwei aufeinander senkrechten Linearkomponenten mit im wesentlichen ver-

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schiedenen Phasengeschwindigkeiten übertragen werden . Diese Komponenten versorgen die zueinander senksollen, beinhaltet, daß der Arbeitspunkt des Ferrits für rechten Spulensysteme mit Energie, wodurch ein Dreheine von ihnen dort liegen muß, wo μ sehr verschieden feld erzeugt wird.

von 1 ist. Die zwei Erfordernisse stehen somit im Gegen- Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Aussatz zueinander, und in der Praxis muß ein mehr oder 5 führungsbeispiels erklärt.

weniger unbefriedigender Kompromiß gefunden werden, In Fig. 2 wird angenommen, daß die linear polarisierten

in dem genügend differentielle Phasenänderung durch Wellen einer Frequenzverschiebung bei einer vorAnwendung einer großen Ferritlänge erreicht wird, so daß bestimmten Frequenz unterworfen werden. Die einverlustarme Ferrite erforderlich sind. Solche Ferrite sind kommenden linear polarisierten Wellen werden in einen schwer zu erhalten, teuer und im allgemeinen noch nicht io rechteckigen Hohlleiter 1 eingespeist und durchlaufen einmal so verlustarm, wie es wünschenswert wäre. einen Richtungskoppler 2 bekannter Art und einen Zusätzlich ist ein hoher Grad von Konsistenz des ange- getaperten Hohlrohrabschnitt 3, der in einen runden wandten Magnetfeldes erforderlich, denn wenn an irgend- Hohlleiter 4 übergeht.

einem Punkt des periodischen Umlaufs der Momentan- Der Richtungskoppler-entspricht der bekannten Sorte,

wert des magnetischen Feldes derart beschaffen ist, daß 15 die aus zwei Längen aneinander angrenzender Hohlleiter er eine von 180° verschiedene differentielle Phasen- besteht, in deren aneinander angrenzenden Seiten verschiebung zwischen zwei orthogonalen Linearkompo- (gewöhnlich, strukturell eine gemeinsame Seite) Öffnungen nenten der auf die A/2-Ferritplatte einfallenden zirkulär zur Kopplung zwischen ihnen vorgesehen sind. Die polarisierten Welle erzeugt, ist die aus ihr austretende Öffnungen sind in Fig. 2 nicht zu sehen. Der Ansatz 2° Welle elliptisch polarisiert und hat nach Durchlaufen der 20 stellt einen üblichen normalen reflexionslosen Abschluß zweiten /l/4-Platte eine Linearkomponente, die im rechten an einem Ende des einen Hohlleiters dar. Natürlich kann Winkel zur gewünschten Polarisationsebene steht. Eine irgendein anderer geeigneter Richtungskoppler oder ein solche Komponente könnte ohne viel Schwierigkeiten sogenannter »Ferrit-Zirkulator« (vgl. »The Bell System beseitigt werden, wenn sie einen stetigen Wert hat. Wenn Technical Journal«, Bd. XXXIV, Jan. 1955, Nr. 1, sie jedoch nicht stetig ist — d. h. wenn das zugeführte 25 Zeilen 5 bis 103) benutzt werden. In dem runden Hohl-FeId schwankt —, findet Amplitudenmodulation der aus- leiterteil 4 ist eine /L/4-Platte 5 bekannter Art vorgesehen, tretenden Wellen statt, und dies hat unerwünschte die geeignet ist, in normaler Weise die linear polarisierten Frequenzkomponenten zur Folge. Die erforderliche hohe Wellen in zirkulär polarisierte Wellen zu transformieren. Stabilität des Feldes ist sehr schwer zu erreichen, be- Die Hohlleiterlänge 4 ist aufgebrochen gezeichnet, um die sonders in dem praktisch bedeutungsvollen Fall, bei dem 30 Platte 5 sichtbar zu machen. Der runde Hohlleiter 4 ist das Drehfeld durch phasenteilende Methoden ohne durch ein Organo (slug) aus Ferrit derartiger mechamechanische Rotation erreicht wird, denn in einem solchen nischer Länge abgeschlossen, daß der Abstand zwischen Fall hängt der Feldverlauf in jedem Augenblick nicht nur der Ebene, wo die effektive Permeabilität bei Anwendung von den Strömen durch die zueinander senkrechten eines im folgenden beschriebenen Magnetfeldes gleich Null Spulen ab, durch die das Drehfeld erzeugt wird, sondern 35 ist, und der Reflektorebene eine Viertelwellenlänge auch von ihren Ausführungen und von der Form ihrer beträgt. Um eine gute Impedanzanpassung für die ein-Polschuhe. fallende Linearkomponente sicherzustellen, die nicht vom

Durch die Erfindung sollen verbesserte Frequenz- und Magnetfeld beeinflußt wird, ist das Organ 6 an einer Seite Phasenschieber und Modulatoren des Ferrityps ge- getapert, wie in gestrichelten Linien bei 6^a gezeigt ist. schaffen werden, bei denen die geschilderten Schwierig- 40 Auch eine andere bekannte Anordnung, z. B. eine Iris, keiten und Nachteile nicht auftreten und die im be- kann für denselben Zweck benutzt werden. Das entsonderen keine sehr große Genauigkeit der Einstellung ferntere Ende des Organs 6 ist durch eine wellenreflekdes verwendeten Magnetfeldes erfordern. tierende Oberfläche 7 abgeschlossen, die laut Abbildung

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden die den von einer leitenden Kurzschlußplatte über das Ende des bekannten Anordnungen anhaftenden Mängel dadurch 45 Ferrits gebildet wird. Zwei zueinander senkrechte Spulenbeseitigt, daß — in der Einfallsrichtung der elektro- paare 8 und 9 sind um das Organ 6 so angeordnet, daß, magnetischen Wellen gesehen — hinter dem Ferritorgan wenn sie mit Energie versorgt werden, ein resultierendes ein Reflektor angeordnet ist und daß die Stärke und Magnetfeld entsteht, welches Organ 6 in einer zur Wellen-Stellung des Magnetfeldes derart gewählt ist, daß das fortpflanzungsrichtung senkrechten Richtung schneidet, Femtorgan im wesentlichen als totaler Reflektor für 50 d. h. in einer Richtung im rechten Winkel zur Achse der diejenigen elektromagnetischenWellenwirkt, derenmagne- ganzen Anordnung. Die Verschiebungsfrequenz wird dem tische Polarisationsrichtung senkrecht zur Richtung des Eingang 10 eines Transformators 11 zugeführt, dessen Magnetfeldes im Ferritorgan steht, und daß die Re- Ausgang einen Phasenteilkreis bekannter Art speist, so flexionsebene im Ferritorgan eine Viertelwellenlänge oder daß von der Verschiebungsfrequenz zwei um 90° gegenein ungerades Vielfaches davon von dem hinter dem 55 einander versetzte Phasenkomponenten gleicher Ampli-Ferritorgan befindlichen Reflektor entfernt ist. Die tat- tude erzeugt werden. Eine Phasenkomponente speist sächliche Größe des Feldes für eine bestimmte Stellung ein Spulenpaar, die andere das andere Spulenpaar, so daß wird am besten nach Einrichtung der Anordnung offensichtlich beide Spulenpaare zwischen sich ein empirisch ermittelt. Aber dabei ist zu beachten, daß die resultierendes Feld erzeugen, welches mit einer Geschwin-Ebene, bei der totale Reflexion im Ferritorgan statt- 60 digkeit umläuft, die durch die Verschiebungsfrequenz findet, dort liegt, wo das Ferrit die Permeabilität Null bestimmt wird. Die Feldstärke wird so gewählt, daß sie besitzt. Entsprechend der Erfindung liegt diese Ebene im wesentlichen dem Punkt X der Fig. 1 entspricht, wo eine ungerade Anzahl von Viertelwellenlängen vor dem der Wert von μ gleich 0 ist. Die frequenzverschobene Welle letzten Reflektor. wird am Ausgangshohlleiter 12 des Richtungskopplers 2

Bei einem erfindungsgemäßen Frequenzschieber läuft 65 abgenommen.

das Magnetfeld mit der gewünschten Modulationsfrequenz Man sieht, daß bei dieser Anordnung wegen des für das

um. Das wird vorzugsweise ohne mechanisch bewegte Magnetfeld gewählten Wertes die eingehenden Wellen-Teile, durch Einspeisung der Verschiebungsfrequenz auf komponenten, deren magnetische Polarisationsrichtung einen Phasenteilkreis erreicht, der zwei Komponenten in jedem Augenblick rechtwinklig zur Richtung des gleicher Amplitude mit 90° Phasenverschiebung erzeugt. 70 magnetischen Feldes ist, an einer Ebene reflektiert

werden, die sich eine Viertelwellenlänge vor dem Reflektor? befindet; dort erfolgt totale Reflexion für solche Komponenten. Das Ferrit wirkt jedoch als Dielektrikum für Wellenkomponenten, deren magnetische Polarisationsrichtung im betrachteten Augenblick parallel zu dem Magnetfeld ist. Das geschieht deswegen, weil für solche Komponenten die effektive Permeabilität des Ferrits gleich 1 ist. Solche Komponenten durchlaufen daher das Ferritorgan 6 und werden an dem reflektierenden Abschluß 7 reflektiert. Sie treten dann wieder aus mit einer Phasenverschiebung von 180° in bezug auf die senkrechten Komponenten, die, wie oben beschrieben, total reflektiert wurden. Die beiden Komponenten —■ die eine vor dem letzten Reflektor reflektiert und die andere von diesem Reflektor reflektiert — bilden kombiniert eine zirkulär polarisierte Welle, die in entgegengesetzter Richtung zur einfallenden Welle wandert und deren zirkuläre Polarisationsrichtung der der einfallenden Welle entgegengesetzt ist. Diese so rückgebildete polarisierte Welle läuft durch den runden Hohlleiter 4 mit seiner A/4-Platte 5 zurück, wo sie in eine linear polarisierte Welle transformiert wird, die aus dem Ausgangshohlleiter 12 des Richtkopplers 2 austritt. Diese austretende Welle ist in der Frequenz um -±_2n verschoben, worin η die Umdrehungszahl pro Sekunde des Magnetfeldes bedeutet, d. h. die Modulationsfrequenz.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen haben den großen praktischen Vorteil gegenüber den bekannten Anordnungen, daß die Größe des erforderlichen Magnetfeldes keineswegs kritisch ist, denn wie aus Fig. 1 ersichtlich, geht die Kurve der effektiven Permeabilität sehr langsam durch den Nullpunkt, d.h., die Krümmung der Kurve ist sehr klein an oder in der Nähe des Punktes X.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE: 35

1. Anordnung zur Frequenz- oder Phasenvariation oder zur Modulation sehr kurzer elektromagnetischer Wellen unter Verwendung eines im Übertragungsweg zirkulär polarisierter elektromagnetischer Wellen befindlichen Ferritorgans und eines Magnetfeldes, dessen Kraftlinien zumindest mit einem Teil der zur Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Wellen senkrechten Längenausdehnung des Ferritorgans parallel verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß — in der Einfallsrichtung der elektromagnetischen -45 Wellen gesehen — hinter dem Ferritorgan ein Reflektor angeordnet ist und daß die Stärke und Stellung des Magnetfeldes derart gewählt ist, daß das Ferritorgan im wesentlichen als totaler Reflektor für diejenigen elektromagnetischen Wellen wirkt, deren magnetische Polarisationsrichtung senkrecht zur Richtung des angelegten Magnetfeldes im Ferritorgan steht, und daß die Reflexionsebene im Ferritorgan eine Viertelwellenlänge oder ein ungerades Vielfaches davon von dem hinter dem Ferritorgan befindlichen Reflektor entfernt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Magnetfeldes zwei zueinander senkrecht angeordnete Elektromagnete vorgesehen sind, die mit Modulationsfrequenzströmen gleicher Amplitude unter 90° Phasenverschiebung gespeist werden.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem der Einfallsrichtung der elektromagnetischen Wellen zugewandten Ende des Ferritorgans eine möglichst reflexionslose Verjüngung (taper) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hinter dem Ferritorgan angebrachte Reflektor als leitende Kurzschlußplatte ausgebildet ist, die sich über die Ausgangsebene des in einem runden Hohlleiter befindlichen Ferritorgans erstreckt und das Ende dieses Hohlleiters bildet.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsweg für elektromagnetische Wellen aus einem rechteckigen Hohlleiterabschnitt zur Fortleitung linear polarisierter Wellen, einem in diesem Abschnitt befindlichen Richtungskoppler, einem darauffolgenden Hohlleiterabschnitt, dessen Querschnittsfläche an dem einen Ende kleiner ist als an dem anderen Ende und der in einen runden Hohlleiterabschnitt übergeht, einer λ/4-Platte in diesem runden Hohlleiterabschnitt, die zur Transformation linear polarisierter Wellen in zirkulär polarisierte Wellen geeignet ist, einem Ferritorgan hinter dieser λ/4-Platte in dem runden Hohlleiterabschnitt, einem Reflektor über der Ausgangsebene des Ferritorgans, der gleichzeitig das Ende des runden Hohlleiterabschnitts abschließt, und Mitteln zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes, das das Ferritorgan senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der Wellen durchsetzt, besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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