DE1008797B - System zur Steuerung und AEnderung der UEbertragung elektromagnetischer Wellen im Mikrowellenbereich - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Systeme zur Steuerung und Änderung der Übertragung von elektromagnetischen Wellen im Mikrowellenbereich.

Es sind bereits Systeme dieser Art bekannt, bei denen ein fester Körper aus ferromagnetischem Material im elektromagnetischen Feld angeordnet ist und Mittel vorgesehen sind, welche an dem ferromagnetischen Körper ein senkrecht zu dem magnetischen Vektor der Wellen gerichtetes Magnetisierungsfeld zur Wirkung bringen.

Man hat gefunden, daß in dem ferromagnetischen Material ein Resonanzzustand bei einer besonderen Feldstärke auftritt, die von der Frequenz und der Feldform der angelegten Welle abhängt. Diesen Zustand bezeichnet man als gyromagnetische Resonanz. Es ist bereits bekannt, diese gyromagnetische Resonanz zu benutzen, um eine veränderbare Dämpfung infolge einer veränderbaren Energieabsorption durch das Medium in der unmittelbaren Nachbarschaft der Resonanz zu erzeugen. Man hat ferner gefunden, daß es möglich ist, die effektive Leitfähigkeit des ferromagnetischen Mediums im Bereich von verhältnismäßig kleinen Werten der effektiven Permeabilität (kleiner als Eins) zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, daß bei geeignetem Anlegen einer elektromagnetischen Welle an ein ferromagnetisches Medium, das in einer festen Richtung bis zur Sättigung magnetisierbar ist, die effektive Permeabilität des Mediums in bezug auf die angelegte Welle über einen weiten Bereich mit Einschluß von positiven und negativen Werten dadurch geändert werden kann, daß die Stärke des ruhenden Magnetisierungsfeldes geändert wird. Auf diese Weise kann die Impedanz des Mediums und die Fortpflanzungskonstante der Welle im Medium über einen entsprechend weiten Bereich geregelt werden.

Die Besonderheit der Erfindung besteht demgemäß darin, daß bei dem oben erläuterten System durch Veränderung des Magnetisierungsfeldes die Impedanz des ferromagnetischen Körpers zwischen vorgegebenen Werten verändert wird. Es ist insbesondere möglich, durch Änderung der Impedanz des ferromagnetischen Körpers eine Anpassung an die Impedanz eines dielektrischen Mediums, z. B. Luft, vorzunehmen, so daß bei der entsprechenden Einstellung der Impedanz die Wellen aus dem einen Medium in das andere eintreten können, ohne an der Berührungsstelle der beiden Medien eine Reflexion zu erfahren.

Die Erfindung bietet darüber hinaus auch die Möglichkeit, das System als veränderbaren Phasenschieber verwendbar zu machen. Dazu wird der ferromagnetische Körper als innerhalb eines Hohlleiters angeordneter Stopfen ausgebildet, und das Anlegen des Magnetisierungsfeldcs erfolgt über Mittel, welche die Änderung des Magnetisierungsfeldes entsprechend der gewünschten System zur Steuerung und Änderung

der Übertragung elektromagnetischer

Wellen im MikrowelHenbereich

Anmelder:

ίο Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertrfeter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Mai 1952

Clarence Lester Hogan, Madison, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Phasenverschiebung einer transversalen elektrischen Welle, die den Hohlleiter durchquert, ermöglichen.

Der Gegenstand der Erfindung soll an Hand der Zeichnung noch näher erläutert werden. Erklärung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise

aufgeschnitten ist und teilweise schematisch dargestellt ist und die ein Wellenleiter-Verzweigungssystem mit Mitteln zur Regelung der Übertragung von Wellen zu und von einem der Zweige zeigt;

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der effektiven Permeabilität eines ferromagnetischen Materials als Funktion der magnetischen Feldstärke, und zwar für den Fall der Übertragung von elektromagnetischen Wellen, die in bezug auf den elektrischen Vektor linear polarisiert sind;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung wie Fig. 2, jedoch für den Fall der Übertragung von elektromagnetischen Wellen, die zirkulär polarisiert sind;

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise

aufgeschnitten und teilweise schematisch dargestellt ist und die ein Wellenleitersystem zeigt, das entweder als Modulator oder als elektrisch veränderbarer Phasenschieber dienen kann ;

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise aufgeschnitten und teilweise schematisch dargestellt ist und die ein Wellenleitersystem zeigt, das einen Stopfen aus ferromagnetischem Material enthält sowie Mittel, um

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den Stopfen entweder durchlässig oder reflektierend zu machen oder den Grad der Durchlässigkeit des Stopfens kontinuierlich zu verändern, wenn eine positive, zirkulär polarisierte Welle angelegt wird.

Fig. 1 zeigt in einer Wellenleiter-Verzweigungsanordnung einen Wellenleiterwandungs-, Scheidewand-oder Fensterteil, der für elektromagnetische Wellen im wesentlichen ebenso durchlässig gemacht werden kann wie die Luft oder das Vakuum oder der in der Impedanz

ist die effektive hochfrequente Permeabilität eines ferromagnetischen Materials für eine Wellenfortpflanzung senkrecht zur Richtung des ruhenden Magnetisierungsfeldes

— ω²

•ω*

Diese Formel wird später als Ausdruck (16) abgeleitet. Hierbei ist γ eine als gyromagnetisches Verhältnis für einem anderen dielektrischen Medium angepaßt werden io Elektronen bekannte Konstante, H_z das effektive ruhende kann, indem der Teil in ein einstellbares magnetisches Magnetisierungsfeld, das als entlang der z-Achse angelegt Feld von geeigneter Größe, das senkrecht zu dem magne- angenommen ist, B_z der Sättigungswert des magnetischen tischen Vektor der Wellen gerichtet ist, angeordnet wird. Flusses in Richtung der «-Achse und ω die Kreisfrequenz Es ist ein Hauptwellenleiter 10 zusammen mit einem der Welle. Die Frequenz f der gyromagnetischen Reso-Abzweigwellenleiter 11 dargestellt. Ein Teil der gemein- 15 nanz ist durch einen unendlichen Wert von μ_6ίί gekennsamen Wand zwischen den Leitern 10 und 11 besteht aus zeichnet, der auftritt, wenn der Nenner (γ²Η_ζΒ_ζ — co²)

Null wird, d. h. wenn

oder

oder

ω² = γ*Η_ζΒ_ζ

ω = γ

des ferromagnetischen Mediums, welche vom Verhältnis der effektiven Permeabilität zur effektiven Dielektrizitätskonstante abhängt, Eins. Dies ist der Wert der

einer Scheidewand 12, die z. B. auch eine Wandung oder ein Fensterteil sein kann. Es ist ein Elektromagnet mit einem Kern 13 vorgesehen, ferner eine Magnetisierungswicklung 14, die mit dem Kern verbunden ist, und schließlich eine Regelspannungsquelle 15, die an die Wicklung zwecks Lieferung von geeigneten Magnetisierungsströmen angeschlossen ist. Der Kern hat einen Luftspalt von der Größe der Scheidewand und ist in bezug auf das Wellenleitersystem 10, 11 in einer geeigneten

Weise angeordnet, wobei die Scheidewand den Luftspalt Bei Feldstärken oberhalb der Resonanz nimmt der

im wesentlichen ausfüllt. Das Wellenleitersystem 10, 11 w_ert von μ_βίί mit der Feldstärke ab und wird, wenn er ist als aus Hohlleiterteilen von rechteckigem Querschnitt i_m wesentlichen ein reeller Wert ist, bei einem besonderen bestehend dargestellt, wie sie gewöhnlich zur Übertragung Wert von H_z gleich dem Wert der effektiven hochvon transversalen elektrischen Wellen verwendet werden, 30 frequenten Dielektrizitätskonstante des Materials. Wenn deren elektrischer Vektor parallel zur kürzeren Seite des die Werte gleich geworden sind, wird die innere Impedanz rechteckigen Querschnitts steht. Der Aufbau des Kerns
und die Lage der Scheidewand 12 im Luftspalt sind so
beschaffen, daß die Richtung des magnetischen Flusses

im Luftspalt parallel zur Richtung des elektrischen Vektors 35 inneren Impedanz von Luft oder Vakuum. Wenn die liegt, wobei diese Richtung für die Wellen im Haupt- Werte gleich sind, ist damit die Impedanz des ferrowellenleiter 10 oder im Abzweigwellenleiter 11 die gleiche magnetischen Materials an die Impedanz der Luft anist. Die Fortpfianzungsrichtung der elektromagnetischen gepaßt, und die Wellen werden so übertragen, wie wenn Wellen sowohl im Hauptwellenleiter als auch im Abzweig- die Scheidewand bloß aus Luft bestände. Um diesen Wellenleiter liegt in einer Ebene, die senkrecht zu dem 40 Effekt zu erhalten, ist es erforderlich, daß das Material Magnetisierungsfeld im Luftspalt angeordnet ist. der Scheidewand vernachlässigbare elektrische Leitungsverluste und dielektrische Verluste hat und daß der Wert des ruhenden Feldes, bei dem die Impedanzanpassung auftritt, so weit vom gyromagnetischen Resonanzpunkt pulverisiertem Oxyd in einem geeigneten Bindemittel 45 entfernt ist, daß die Energieabsorption im Material durch hergestellt sein. Eine für diesen Zweck geeignete Zu- die gyromagnetische Resonanz zu vernachlässigen ist. sammensetzung wurde hergestellt, indem gesintertes Das Verhältnis Eins als Kriterium für die Impedanz-

Nickel-Zink-Ferrit pulverisiert wurde, bis die größten anpassung ergibt sich durch die übliche Wahl der EinTeilchen durch ein Sieb mit 18 Maschen je cm hindurch- heiten für die Permeabilität und die Dielektrizitätsgingen. Dann wurde dieses Pulver mit kleinen Polystyrol- 50 konstante in der Weise, daß sowohl die Permeabilität als kügelchen gemischt, die so klein waren, daß sie ebenfalls auch die Dielektrizitätskonstante relativ zu den entdurch ein 18-Maschen-Sieb hindurchgingen. Die Mischung sprechenden Werten für den freien Raum genommen sind, fand im Verhältnis 75 Volumprozent Ferrit zu 25 Volum- Bei diesen relativen Einheiten ist die Impedanz irgendprozent Polystyrol statt. Dann wurde die Mischung mit eines Mediums die Quadratwurzel des Verhältnisses der einer verdünnten Lösung von Polystyrol in Benzol 55 Permeabilität zur Dielektrizitätskonstante, und die Im-

Das Material der Scheidewand 12 ist vorzugsweise ein ferromagnetiscb.es Metalloxyd. Die Scheidewand kann aus einer Platte des Oxyds bestehen, oder sie kann aus

befeuchtet, um sie klebrig zu machen, und schließlich wurde das Material in einer Preßform unter 5 kg Druck in die gewünschte Form gepreßt.

Um das Material der Scheidewand 12 im wesentlichen durchlässig für elektromagnetische Wellen in Luft und von einer gegebenen Frequenz zu machen, wird der Wert der Regelspannung an der Wicklung so eingestellt, daß die effektive hochfrequente Permeabilität des Materials gleich der effektiven hochfrequenten Dielektrizitäts-

pedanz des freien Raumes (oder der Luft) ist Eins.

Eine Impedanzanpassung zwischen dem ferromagnetischen Medium und irgendeinem anderen Medium kann erreicht werden, indem das Verhältnis der effektiven Permeabilität zur effektiven Dielektrizitätskonstante für beide Medien dadurch gleichgemacht wird, daß der Wert der effektiven Permeabilität des ferromagnetischen Mediums entsprechend eingestellt wird.

Durch Änderung der Regelspannung um einen geeig-

konstante des Materials ist. Die richtige Einstellung kann 65 neten Betrag, z. B. mittels der Quelle 15, kann die durch einen Versuch bestimmt werden, und zwar mit oder Scheidewand 12 im hohen Grade reflektierend gemacht ohne ergänzende Berechnung. Das erforderliche Magnetisierungsfeld wird im allgemeinen etwas größer sein als das

Feld, das zur Erzeugung einer gyromagnetischen Reso

nanz im Material notwendig ist. Wie später gezeigt wird, 70 tragen werden.

werden, indem eine Impedanzfehlanpassung hergestellt wird, wodurch im wesentlichen verhindert wird, daß die elektromagnetischen Wellen durch die Scheidewand über-

Auf Wunsch kann auf beiden Seiten der Scheidewand 12 eine geeignete Gasdruckdifferenz in bekannter Weise hergestellt werden, während gleichzeitig die elektromagnetischen Wellen je nach Wunsch durch die Scheidewand hindurchgehen und an ihr aufgehalten werden, ohne daß bewegliche Teile verwendet werden oder zu irgendeiner Zeit Gas von einer Seite der Scheidewand zur anderen entweichen kann. Ebenso kann auf einer Seite der Scheidewand eine Flüssigkeit vorhanden sein, ohne daß während des Vorgangs des Schaltens oder Regeins der elektromagnetischen Wellen ein Entweichen stattfindet.

Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung soll an dieser Stelle die nachfolgende theoretische Diskussion und mathematische Behandlung gegeben werden, bevor zur Beschreibung weiterer Ausführungsformen der Erfindung übergegangen wird.

Bei einem ferromagnetischen Medium, dessen Leitwert vernachlässigt werden kann und bei dem keine Divergenz des elektrischen Feldes oder des magnetischen Feldes vorhanden ist, können die Maxwellschen Gleichungen in folgender Form angewendet werden:

tielle Ableitung von b nach der Zeit bildet, so ergibt sich aus Gleichung (1)

^iE*-fy ^exP (J'cot —Ty)

rot £ = _— ^-

db_

dt

~ ε ÖE

rot A = j—

c ot

wobei E der elektrische Feldvektor, h der Vektor des magnetischen Wechselfeldes, Έ der Vektor des magnetischen Wechselflusses, ε die Dielektrizitätskonstante des Mediums und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Es ist angenommen, daß vorhandene ruhende Felder keine Änderung von Stelle zu Stelle im Medium aufweisen, so daß rot E und rot h die Gesamtrotation des elektrischen Feldes bzw. des magnetischen Feldes umfassen und das ruhende Feld außer Betracht gelassen werden kann, ohne daß die Gültigkeit der von den Gleichungen (1) und (2) abzuleitenden Gleichungen beeinträchtigt wird.

Angenommen, eine ebene Welle werde im Medium in Richtung der „-Achse fortgepflanzt, so haben ~b, h und 2 als Faktor den Wert exp (jcot — Fy). Wenn man die Größen der Vektorkomponenten entlang den entsprechenden Achsen mit h_x, h_v und h_z für Ti, b_x, b_y und b_z für"5 und E_x, E_v und E_z für Έ bezeichnet, so können die entsprechenden Vektoren folgendermaßen ausgedrückt werden:

E = [E_xI+ EyJ+ E_z~k) exp (j cot —Fy) b = (bj + b_vf+ b J) exp (jcot —Ty) h — [h_xl + h_vj+ h_z~fi) exp (jcot — Fy)

wobei?, 7und £ die Einheitsvektoren entlang den x-, y- und z-Achsen sind. Die Größen der Vektorenkomponenten entlang den entsprechenden Achsen sind als Konstante angenommen, die unabhängig von der Zeit und von den Raumkoordinaten x, y und ζ sind. Dementsprechend sind die einzelnen Änderungen mit der Zeit oder dem Raum in dem Faktor exp (jcot— Fy) enthalten.

Nachdem diese Annahmen gemacht sind, soll als nächstes die Art der Wellengleichungen, die sich aus den Maxwellschen Gleichungen ergeben, bestimmt werden.

Wenn man berücksichtigt, daß alle Ausdrücke von rot

E und rot h, die ^- und -5- enthalten, Null werden, und δχ bz '

zwar infolge der Tatsache, daß die einzigen partiellen Ableitungen nach dem Raum, die vorhanden sind, in Richtung der y-Achse liegen, und wenn man ferner die par-

und in gleicher Weise aus Gleichung (2) δ

^ih* Jy
— kh_x — exp (jcot — Fy) =

E. (4)

Wenn man die entsprechenden Kartesischen Koordinaten auf beiden Seiten der Gleichung (4) gleich setzt, die partiellen Ableitungen nach dem Raum bildet, den gemeinsamen Faktor exp (jcot — Fy) ausdividiert und den Faktor (cjjcob) umstellt, so erhält man

E_x = A- Fh_x

]ωε

jcoe

FL·

Wenn man in gleicher Weise die entsprechenden kartesischen Koordinaten auf beiden Seiten der Gleichung (3) gleichsetzt, ergibt sich

E_x =

] ω
cy

E.=

j ω
cy

Gleichsetzen der entsprechenden Werte der Gleichungen (5) und (6) führt zu

Die Gleichungen (7) sind die Wellengleichungen für die Art der vorausgesetzten ebenen Wellen, und zwar ohne Berücksichtigung der Eigenschaften des Mediums. Diese Eigenschaften können berücksichtigt werden, wenn der Zusammenhang zwischen den δ-Komponenten und den Α-Komponenten bekannt ist.

Durch D. Polder wurde in einem Aufsatz im »Philosophical Magazine«, Bd. 40, S.99 bis 115 (1949), gezeigt, daß der Vorgang der gyromagnetischen Resonanz in ferromagnetischen Stoffen durch die magnetischen Effekte der Präzession von Elektronen mit Spin um die Richtung eines angelegten magnetischen Feldes erklärt werden kann. Wenn das ruhende Magnetisierungsfeld H _z an ein ferromagnetisches Medium entlang der «-Achse, wie oben erläutert, angelegt wird und wenn in dem Medium ein magnetisches Wechselfeld in einer willkürlichen Richtung vorhanden ist, ist nach der Untersuchung von Polder der Zusammenhang zwischen den oben bezeichneten Komponenten b_x, b _v und b_z des magnetischen Wechselflusses und h_x, h_v und h_z des magnetischen Wechselfeldes

bei magnetischer Sättigung des Mediums entlang der z-Achse ein Tensor wie folgt:

= μΚ— jKh_v

Gleichung (11) bestimmt zwei Wertepaare für F, die zweckmäßig mit F₁ und F₂, bezeichnet werden und die folgende Werte besitzen:

ω^ώε

wobei

Τζ

AnM\γ ω γ*Η_ζ — ω*

das gyromagnetische Verhältnis für Elektronen (annähernd 17,6 · 10⁶ in Bogenmaß je Sekunde und Örsted),

Kreisfrequenz der Welle in Bogenmaß je Sekunde,

Magnetisierung des Mediums durch das ruhende Magnetisierungsfeld H _z

V =

ω =

Μ_Ζ =

B_z = „ .

WährendPolder bei den Gleichungen (8) die Dämpfung der Präzessionsbewegung der Elektronen vernachlässigt, hat sich ergeben, daß seine so erhaltenen Resultate trotzdem genügend genau sind, um bei der Erklärung der Arbeitsweise der verschiedenen Ausführungen der hier beschriebenen Erfindung von Nutzen zu sein. Sowohl μ als auch K können im allgemeinen Fall komplexe Werte sein, doch ist unter der Annahme vemachlässigbarer Dämpfung den Ausdrücken (8)' und (8") zu entnehmen, daß beide reelle Werte sind. Die Größen h und b können jedoch komplexe Werte sein, um mathematisch Phasendifferenzen auszudrücken, die zwischen den verschiedenen Komponenten bestehen können.

Die Gleichungen (8) drücken die magnetischen Eigenschaften des Mediums aus, und zwar ohne Berücksichtigung der Art der Welle, die durch das Medium übertragen wird. Durch Einsetzen der Gleichungen (8) in die Gleichungen (7) erhält man die besondere Form der Wellengleichungen, die für die Art der ebenen Wellen gültig ist, welche entlang der y-Achse in der von Polder untersuchten Art von ferromagnetischem Medium übertragen werden sollen, wie folgt:

JT? = --

ω^Δε u^z —,

Die Koeffizienten F₁ und P₂ stellen zwei Fortpflanzungsformen dar, die für entlang der y-Achse in dem ferromagnetischen Material übertragene ebene Wellen möglich sind. Die beiden Formen können getrennt oder zusammen auftreten. Sie können getrennt in den folgenden zwei speziellen Fällen auftreten:

Fall I, bei dem Ji_x = O ist,
Fall II, bei dem A₃ = O ist.
Im Fall I reduzieren sich die Gleichungen (10) zu

^{ω 8}P j. __n Ti ^tlv — ^υ

h_z - ο

(12)

Hieraus ist ersichtlich, daß A_v = 0 und die Fortpflanzungskonstante gleich γ_χ ist. In diesem Falle ist die einzige Komponente des magnetischen Wechselfeldes, die nicht Null ist, die Komponente entlang der «-Achse.

Diese Wellenart kann im ferromagnetischen Material erregt werden, indem eine unbegrenzte ebene Welle mit einer solchen Komponente angelegt wird.

Im Fall II reduzieren sich die Gleichungen (10) zu

ω^ζε

{μ h_e—jKh₁₁)= -F*h_x

(JKh_x + μΚ) = 0

A,= — T²A,

ω²εμ

+ η κ

(ΐω²εΚ\

ω²εμ

(13)

Aus der zweiten der Gleichungen (13) sieht man, daß h_x und hy notwendigerweise so zusammenhängen, daß

Es sei bemerkt, daß die Gleichungen (9) als homogene lineare Gleichungen in h_x, h_v und h_z in folgender Weise ausgedrückt werden können:

^K -

(14)

ω^Δεμ

+ F²) h_z = 0

(10)

Mit Ausnahme des unwichtigen Falles, daß A₃., h_y und A₂. sämtlich gleich Null sind, ist es notwendig, daß die Determinante der Gleichungen (10) gleich Null ist, d. h.

ω '

= 0. (11) Durch Einsetzen des Wertes von A₃, der Gleichung (14) in die erste der Gleichungen (13) und Auflösen nach F ergibt sich, daß die Lösung P₂ ist. In diesem Falle ist der magnetische Vektor des Wechselfeldes der Welle im ferromagnetischen Medium elliptisch polarisiert und liegt in der Λτ-y-Ebene. Der elektrische Vektor wird nicht gestört, da die Welle in das ferromagnetische Medium eintritt und in der »-Richtung linear polarisiert bleibt. Diese Wellenart kann im ferromagnetischen Medium erregt werden, indem eine unbegrenzte ebene Welle mit einer elektrischen Komponente in der z-Richtung, die nicht Null ist, angelegt wird.

In den Formeln für die Fortpflanzungskonstanten P₁ oder P₂ kann der Faktor, mit dem ε unter dem Quadratwurzelzeichen multipliziert ist, als effektiver Wechselstromwert der Permeabilität betrachtet werden, weil dieser Faktor den Platz der Permeabilität μ in dem

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gewöhnlichen Fall von Wellenübertragung in einem punkt bei einer Feldstärke auf, die größer als die für die

Medium einnimmt, bei dem kein wahrnehmbarer gyro- Sättigung erforderliche ist.

magnetischer Effekt vorhanden ist. Im Fall I zeigt der Aus Fig. 2 ist leicht vorherzusagen, wie sich eine Welle Wert der Fortpflanzungskonstante F₁ an, daß die effek- der Grundschwingungsform verhält, die in einem Wellentive Permeabilität wie im freien Raum Eins ist. Dem- 5 leiter durch ein ferromagnetisches Medium unter den für entsprechend ist die Wellenfortpflanzung im Fall I nicht Fig. 2 angenommenen Bedingungen fortgepflanzt wird, wesentlich verschieden von derjenigen im Vakuum oder Tatsächlich gelten die Angaben der Darstellung in Fig. 2 in Luft, sie ist nicht durch den Elektronenspin im ferro- für den Fall einer unbegrenzten Ausdehnung des ferromagnetischen Medium beeinflußt und ist daher hier nicht magnetischen Materials, jedoch ergibt sich, daß das Verweiter von Interesse. Im Fall II, der im Zusammenhang io halten einer Welle in einem Stück aus ferromagnetischem mit der vorliegenden Erfindung interessant ist, ergab sich Material in einem Wellenleiter sich stark dem in Fig. 2 die effektive Permeabilität zu gezeigten Verhalten annähert.

2 j£i Wenn das angelegte Feld Null ist, findet die Welle ein

(15) dielektrisches Material mit einer effektiven Permeabilität

P 15 Eins und einen gewöhnlichen Wert der Dielektrizitäts-

Der Ausdruck (15) für die effektive Permeabilität kann konstante vor, z. B. von 6 bis 20 für Ferrite bei 9000 MHz.

in leicht meßbare Werte übertragen werden, indem die Wenn das Feld allmählich vergrößert wird, nähert sich

Werte μ und K aus den Ausdrücken (8') und (8") einge- die Permeabilität sehr schnell Null. Wenn sich die

setzt werden, wobei sich folgendes ergibt: Permeabilität Null nähert, wird die Wellenlänge im

y2.fi ζ _ω2 so Medium länger und langer. Bevor die Permeabilität NnTI

(16) erreicht ist, tritt eine Erscheinung auf, die der Art von

μ^ί = l ■

7 ii ^ω Sperrung, analog ist, wie sie bei einem Wellenleiter von

Diese Werte wurden berechnet und sind in Fig. 2 als kritischer Breite erscheint. Da jedoch die Fortpflanzung

Funktion des ruhenden Magnetisierungsfeldes H_z in in einem mit Verlusten behafteten Dielektrikum statt-

örsted für einen praktisch zu verwirklichenden Fall auf- 25 findet, ist die Sperrung nicht so scharf wie bei einem

getragen, bei dem verlustlosen Wellenleiter. Dessen ungeachtet ergibt sich,

ω = 2nf daß ein Bereich nahe der Permeabilität Null vorhanden

r n/yin τΐί-ττ ist, wo große Reflexionen stattfinden und nur eine sehr

' ~~ kleine Leistung durch einen Stopfen des Materials fort-

4nM_s = 4πΜ_ζ = 3000 Gauß 30 gepflanzt wird, der den Wellenleiter ausfüllt,

war. Die innere Impedanz eines dielektrischen Materials ist

Der Anfangsteil der Kurve von μ_β/ί nahe dem Nullwert .. /—

von H_z, der bis zur magnetischen Sättigung reicht, Z= \ —,

wurde unter der Annahme erhalten, daß H_z und B_z wie r ^ε

im Gleichstromfall zusammenhängen, wobei für die 35 wobei μ die Permeabilität und ε die Dielektrizitäts-

Gleichstrompermeabilität μΰϋ der Wert 100 genommen konstante ist. Beide Werte können im allgemeinen Fall

ist, d. h. 1 no TT komplex sein. Man hat einige Ferrite gefunden, bei denen

* " der imaginäre Teil dieser beiden Werte bei Frequenzen in

Diese Beziehung ist in den Ausdruck (16) eingesetzt. der Größenordnung von 9000 MHz vernachlässigbar

Für H_z gleich Null reduziert sich der Ausdruck (16) 40 klein ist, abgesehen von dem Bereich der ferromagneti-

auf μ_eJi = 1. sehen Resonanz, wo der imaginäre Teil der Permeabilität

Fig. 2 zeigt einen Wert Null von μ^, der bestimmt groß ist und eine Absorption darstellt. Man hat andere

ist durch Ferrite gefunden, bei denen der imaginäre Teil der

γ^ζΒ_ζ — ω² = 0 (17) Permeabilität oder der Dielektrizitätskonstante oder

45 beider nicht vernachlässigt werden kann unbeschadet der

und der auftritt, wenn B_z gleich 3210 Gauß ist, was bei Stärke des angelegten magnetischen Feldes,

dem aufgeführten Beispiel bedeutet, daß H_z gleich Wenn insbesondere der imaginäre Teil der Permeabili-

210 örsted ist. Die Figur zeigt ferner einen Wert Unend- tat vernachlässigbar und der reelle Teil Null ist, wird die

lieh von μ_Βίί, der bestimmt ist durch Impedanz des ferromagnetischen Mediums an dieser

zj£ β _ω2 _ ο 5° Stelle ohne Rücksicht auf die Dielektrizitätsverluste tat-

^z sächlich Null sein. Das Medium wird dann Eigenschaften

und der auftritt, wenn B_z gleich 5040 Gauß und H_z aufweisen, die denjenigen eines Materials mit sehr großem

gleich 2040 örsted ist. Leitwert analog sind. Ein Stück aus Ferrit wird unter

Bei Betrachtung der Fig. 2 bemerkt man, daß beim diesen Bedingungen eine einfallende Welle vollständig

magnetischen Feld Null die effektive Permeabilität Eins 55 reflektieren.

ist und daß sie bei kleinen Feldern ziemlich schnell nach Ein besonderer Ferrit, der unter dem Handelsnamen Null abnimmt. Dieser Teil der Kurve ist ein umgekehrtes Ferramic I bekannt ist, genügt der Bedingung, daß er Spiegelbild der Magnetisierungskurve des Materials. Die eine vernachlässigbare magnetische Verlustkomponente Neigung dieses Teils hängt von der Gleichstrompermeabi- an der Stelle hat, wo der reelle Teil der Permeabilität lität des Materials ab. Wenn das Feld weiter ansteigt 60 Null ist. Dieses Material kann zur fast vollständigen und das Material gesättigt wird, wird die Kurve der Reflexion einer elektromagnetischen Welle an dieser effektiven Permeabilität ebener und ist viel weniger Stelle veranlaßt werden. Andere Ferrite, z. B. ein unter feldabhängig, bis sie sich dem Bereich der gyromagne- dem Handelsnamen Ferramic G bekanntes, die merkbare tischen Resonanz nähert. magnetische Verluste bei allen Feldstärken bis zu und Der Nullpunkt der effektiven Permeabilität, der für 65 etwas über dem für die Resonanz erforderlichen Feld den in Fig. 2 dargestellten Fall bei H_z = 210 Örsted aufweisen, haben an keiner Stelle eine Impedanz, die tatliegt, kann im allgemeinen je nach dem Material und der sächlich Null ist, und können nicht zur Herstellung eines Betriebsfrequenz entweder oberhalb oder unterhalb dem vollständigen Reflektors verwendet werden,
für die Sättigung erforderlichen Feldwert auftreten. Bei Bei »Ferramic G« handelt es sich um einen Nickeldem in Fig. 2 zugrunde gelegten Beispiel tritt der Null- 70 Zink-Ferrit, in welchem Nickel und Zink in nahezu

gleichem Verhältnis auftreten. Er läßt sich durch den Ausdruck (NiO)₀,g(ZnO)₀₎₅Fe₂O₃ darstellen, wobei zu berücksichtigen ist, daß er etwas weniger als die stöchiometrische Eisenmenge enthält, als sich aus der Formel ergibt. Der Magnetisierungssättigungswert ist 4πΜ₈ = 4500 Gauß; der spezifische Widerstand beträgt mehr als 10⁹ Ohm-cm.

»Ferramic JV ist ebenfalls ein Nickel-Zink-Ferrit, der sich von "Ferramic G« dadurch unterscheidet, daß er Nickel und Zink etwa im Verhältnis 30: 70 enthält und einen Magnetisierungssättigungswert von etwa 4%M_S = 2700 Gauß besitzt.

Wenn das Feld über die gyromagnetische Resonanz hinaus vergrößert wird, wird es möglich, hohe positive Werte der effektiven Permeabilität im Medium zu erzeugen. Wenn das Resonanz-Absorptionsband nicht zu breit ist, hat es sich als möglich herausgestellt, die effektive Permeabilität des Mediums gleich der Dielektrizitätskonstante zu machen, wenn diese beiden Werte im wesentlichen rein reell sind. Die innere Impedanz des ferromagnetischen Materials ist dann gleich der inneren Impedanz der Luft. Unter diesen Bedingungen tritt keine Reflexion an einer Grenze zwischen dem Material und der Luft auf, und das Material ist im wesentlichen ebenso durchlässig für elektromagnetische Wellen wie Luft.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung von Werten der effektiven Permeabilität für positive und negative zirkulär polarisierte Wellen, die sich in einem ferromagnetischen Medium, wie vorher beschrieben, entlang der z-Achse fortpflanzen und nicht entlang der y-Achse wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Fall. Man wird bemerken, daß die Darstellung der effektiven Permeabilität für die positive zirkulär polarisierte Welle in Fig. 3 qualitativ der Darstellung der effektiven Permeabilität in Fig. 2 gleicht.

Die Gleichungen der Wellen, für welche die effektive Permeabilität in Fig. 3 aufgetragen ist, erhält man aus den Maxwellgleichungen (1) und (2) und aus dem Ausdruck (8) für die Tensorpermeabilität des ferromagnetisehen Mediums, und zwar in gleicher Weise wie vorher, mit Ausnahme davon, daß anstatt der angenommenen Fortpflanzung in Richtung der y-Achse eine Fortpflanzung in Richtung der «-Achse angenommen wird. Mit anderen Worten: es wird nunmehr angenommen, daß sich eine ebene Welle im Medium parallel zur Richtung des ruhenden Magnetisierungsfeldes fortpflanzt.

In diesem Falle haben die Vektoren'S, Ä, und Έ sämtlich als Faktor den Wert exp (/ ω t — Γζ), und alle Ausdrücke des rot Έ und rot Ti, die -^- oder -=— enthalten, sind Null.

Wenn man diese Bedingungen berücksichtigt und dieselbe Art der mathematischen Behandlung wie vorher anwendet, findet man, daß

polarisierten Komponenten besteht, die in der x-y-Ebene liegen. Jede dieser zirkulär polarisierten Komponenten hat ihren eigenen Wert für die Fortpflanzungskonstante, der sich folgendermaßen ergibt:

ore

(JKh_x

(19)

55

60

aus dem sich ergibt, daß überall und zu jeder Zeit

ist, womit angezeigt ist, daß das magnetische Feld der Welle im ferromagnetischen Medium aus zwei zirkulär (20)

(21)

wobei F₊ die Fortpflanzungskonstante für eine positive zirkulär polarisierte Welle und JL die Fortpflanzungskonstante für eine negative zirkulär polarisierte Welle ist. Die Werte von μ und K sind wie vorher durch die Ausdrücke (8') bzw. (8") gegeben. Durch Übereinkunft wird eine zirkulär polarisierte Welle als positive zirkulär polarisierte Welle bezeichnet, wenn die Rotation des elektrischen Vektors der Welle in der gleichen Richtung liegt wie der positive elektrische Strom, wie in einer Zylinderspule, die das ruhende magnetische Feld erzeugen würde. Wenn die Rotation des elektrischen Vektors der Welle entgegengesetzt zu derjenigen des Zylinderspulenstroms liegt, wird die zirkulär polarisierte Welle als negative zirkulär polarisierte Welle bezeichnet. Eine dieser Wellenarten kann im ferromagnetischen Medium durch eine angelegte positive zirkulär polarisierte Welle oder durch eine negative zirkulär polarisierte Welle erregt werden. Beide Wellenarten können gleichzeitig durch eine angelegte linear polarisierte Welle erregt werden, deren elektrischer Vektor in der #-y-Ebene liegt.

Bei Betrachtung der Ausdrücke (20) und (21) sieht man, daß die effektiven Permeabilitäten für die beiden Wellen ungleich sind. Es ist leicht festzustellen, daß die entsprechenden Werte lauten:

μ+Κ=1+

μ—K=I+

4πΜ_ζγ

4πΜ_ζγ γΗ_ζ+ω'

(22)

(23)

Die Werte der effektiven Permeabilität sind in Fig. 3 als Funktion von H_z aufgetragen. Die dem Ausdruck (22) entsprechende Kurve gilt für die positive zirkulär polarisierte Welle und zeigt die Werte Null und Unendlich, wie sie durch die Kurve in Fig. 2 dargestellt sind, jedoch erscheint der Wert Unendlich bei einem höheren Wert des magnetischen Feldes.

Fig. 4 zeigt ein System, das als veränderbarer Phasenschieber verwendet werden kann. Ein Wellenleiterteil 40 von der Art eines Hohlleiters mit kreisförmigem Querschnitt ist mit einem bleistiftartigen Stück 41 aus ferromagnetischem Material versehen, das an den Endteilen 42 und 43 zugespitzt und in der Längsachse des Teils 40 durch geeignete Haltemittel, wie den Ring 80 aus Polystyrolschaum, gehalten ist. Ein magnetischer Kern 44 ist mit den Polschuhen 45 und 46 versehen, die einen Luftspalt definieren, welcher den Wellenleiterteil 40 und den Stift 41 enthält. Auf dem Teil 44 ist eine Erregungswicklung 47 vorgesehen, die mit einem Potentiometer 48 und den Schaltern 49 und 50 verbunden ist. Die Schalter gestatten die Wahl entweder einer Modulationsspannungs^ quelle 51 oder einer Sägezahnspannungsquelle 52 zur Steuerung des Magnetisierungsfeldes im Stift 41.

Beim Betrieb des Systems der Fig. 4 als veränderbarer Phasenschieber wird das Potentiometer auf einen verr hältnismäßig kleinen Spannungswert eingestellt, um den Stift 41 in den Bereich des Magnetisierungsfeldes unterhalb der Stelle mit der effektiven Permeabilität Null zu bringen. Bei manchen Anwendungen kann das Potentio-

meter ausgeschaltet und nur die Sägezahnspannungsquelle an die Wicklung 47 angeschlossen werden, indem der Schalter 50 in die untere Stellung und der Schalter 49 in die obere Stellung gebracht wird.

Im ersten Falle kann die Phasenverschiebung einer durch den Wellenleiterteil 40 gehenden elektromagnetischen Welle von Hand mit Hilfe des Potentiometers 48 verändert werden, wodurch in der Tat die Permeabilität des Übertragungsweges und damit die Phasenverschiebung verändert wird.

Im zweiten Falle bewirkt das Anlegen einer Sägezahnspannung an der Quelle 52, daß die Permeabilität des Weges sich in im wesentlichen linearer Weise über einen großen Bereich ändert, wodurch die Phasenverschiebung

Q =

Z₁

Wenn die Impedanzen im Verhältnis zu der Impedanz des freien Raumes ausgedrückt werden und das Medium mit der Impedanz Z₁ Luft ist, ergibt sich

e =

1-Z₂

Stopfen 56 oder eine Reflextion am Stopfen 56 je nach Wunsch zu bewirken. Da diese Ausführung der Erfindung die Benutzung der Reflexion enthält, ist der Stopfen 56 vorzugsweise ohne die zugespitzten Endteile zur Verminderung der Reflexion ausgeführt, wie sie bei 42 und 43 in Fig. 4 dargestellt sind.

Beim Betrieb des Systems der Fig. 5 in der Form, daß die Durchlässigkeit — gesteuert durch eine Modulationsspannungsquelle — dauernd geändert wird, kann der ίο Kontakt 70 so eingestellt werden, daß sich ein Zustand teilweiser Durchlässigkeit im Stopfen 56 in unmittelbarer Nähe der maximalen Durchlässigkeit ergibt. Der Schalter 49 kann dann in seine untere Stellung gelegt werden, wobei die Quelle 51 angeschlossen wird, um das Magneti-

über einen gewünschten Bereich stetig geändert wird und 15 sierungsfeld entsprechend den Modulationsspannungen sich dieser Vorgang periodisch wiederholt. Das bei diesem zu ändern.

oder dem ersten Fall verwendete Magnetisierungsfeld ist Es kann gezeigt werden, daß eine vollständige Reflexion

verhältnismäßig sehr schwach. einer Welle erhalten wird, wenn der Wert der effektiven

Die Änderung der Phasenverschiebung im zweiten Permeabilität Null ist und auch in einem beträchtlichen Falle wird ohne jegliche Bewegung irgendwelcher Teile 20 Bereich, in dem die effektive Permeabilität negativ ist bewirkt, und es hat sich ergeben, daß ein Bereich der und gleichzeitig keine merkliche Energieabsorption infolge Phasenverschiebung von 360° oder mehr leicht zu er- Resonanz vorhanden ist. Dieses kann aus einer Betrachreichen ist. tung des Reflexionskoeffizienten ρ für eine Verbindung Ein erläuterndes Beispiel einer geeigneten Größe für zwischen zwei Medien mit Wellenimpedanzen Z₁ und Z₂ den Stift 41 zur Verwendung in einem kreisförmigen 25 hergeleitet werden, für den der übliche Ausdruck lautet: Wellenleiter von 2,54 cm Durchmesser ist ein 1,89 cm langer Stift mit 0,63 cm Durchmesser, wobei die zugespitzten Verlängerungen 42 und 43 je 1,89 cm lang sind, so daß die Gesamtlänge 5,67 cm beträgt. Diese Abmessungen sind nicht kritisch. Beträchtliche Änderungen 30 können ohne Beeinträchtigung der Arbeitsweise der Einrichtung vorgenommen werden. Wenn die Größe und Länge des Stifts nicht wichtig ist, kann der Stift vergrößert werden, um einen den Wellenleiter vollständig ausfüllenden Stopfen zu bilden, wodurch die Wirksamkeit 35 des Stifts bei der Beeinflussung der Übertragung der angelegten Welle vergrößert wird. Die zugespitzten Teile Für das zweite Medium ist müssen dann länger sein, so daß sie im wesentlichen den gleichen Spitzenwinkel erhalten. Dementsprechend muß jeder zugespitzte Teil 7,62 cm lang sein, so daß die Ge- 40 samtlänge des ferromagnetischen Elements 17,13 cm beträgt, was ein Nachteil bei manchen Anwendungen der Erfindung sein kann.

Fig. 5 zeigt ein System zur Änderung der Durchlässigkeit eines Hindernisses für die Wellenübertragung durch 45 Null ist und keine Verluste vorhanden sind, wird magnetische Mittel, wenn die zu übertragende Welle zirkulär polarisiert ist. Ein Teil 55 eines Hohlleiters mit kreisförmigem Querschnitt ist mit einem Stopfen 56 aus ferromagnetischem Material und einer Zylinderwicklung 57, die den Stopfen 56 umgibt, versehen. Die 50 Wicklung 57 ist über einen Schalter 58 mit einem Potentiometer 59 verbunden. Der Schalter 58 hat zwei Stellungen, die an verschiedene Punkte des Potentiometers angeschlossen sind. Die obere Stellung wird gewählt, um im Stopfen 56 einen Zustand von im wesent- 55 effektiven Permeabilität Null bis dahin, wo die Resonanzlichen vollständiger Durchlässigkeit für eine positive absorption im ferromagnetischen Material beginnt, merkzirkular polarisierte Welle zu erzeugen, wie er durch den bar zu werden.

Ausdruck (22) gegeben ist. Der Grad der Durchlässigkeit Da die Kurven der effektiven Permeabilität, wie sie

ist leicht mit Hilfe eines beweglichen Kontakts 70 ein- in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind, qualitativ gleich sind, zustellen. Die untere Stellung wird gewählt, um im 60 kann für viele Ausführungen der Erfindung, bei denen Stopfen 56 einen Zustand von im wesentlichen voll- eine lineare polarisierte angelegte Welle verwendet wird, ständiger Reflexion zu erzeugen. Der Schalter 49 und die Quelle 51 können in einem der Leiter zur Wicklung 57 enthalten sein.

Beim Betrieb des Systems der Fig. 5 in der Form, daß der Stopfen plötzlich vom durchlässigen zum reflektierenden Zustand oder umgekehrt geändert wird, wird eine
positive zirkulär polarisierte Welle an ein Ende des Wellenleiterteils angelegt und der Schalter 58 in die Stellung geWenn nun μ gleich Null ist, wird Z₂ gleich Null, und der Reflexionskoeffizient wird Eins, was vollständige Reflexion bedeutet. Wenn weiterhin μ negativ und nicht

Z₂= ± j

Das ist eine reine Reaktanz. Daher sind (1—-Z₂) und (1+Z₂) Werte, die der Größe nach gleich sind. Infolgedessen ist die Größe von ρ Eins, was wiederum vollständige Reflexion bedeutet. Deshalb erstreckt sich der Bereich der vollständigen Reflexion vom Punkt mit der

legt, die erforderlich ist, um eine Übertragung durch den 70 werden.

eine analoge entsprechende Ausführung leicht verfügbar gemacht werden, bei der eine positive zirkulär polarisierte angelegte Welle verwendet wird, und umgekehrt. Selbstverständlich sind die oben beschriebenen Anordnungen nur Beispiele für die Anwendung der Erfindungsprinzipien. Zahlreiche andere Anordnungen können von einem mit dem einschlägigen Stand der Technik vertrauten Fachmann im Rahmen der Erfindung geschaffen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. System zur Steuerung und Änderung der Übertragung von elektromagnetischen Wellen im Mikrowellenbereich, bei dem ein fester Körper aus ferromagnetischem Material im elektromagnetischen Feld angeordnet ist und Mittel vorgesehen sind, welche an dem ferromagnetischen Körper ein senkrecht zu dem magnetischen Vektor der Wellen gerichtetes Magnetisierungsfeld zur Wirkung bringen, dadurch gekennzeichnet, daß durch Veränderung des Magnetisierungsfeldes die Impedanz des ferromagnetischen Körpers zwischen vorgegebenen Werten verändert wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen die Form linear polarisierter Wellen besitzen und daß das Magnetisierungsfeld parallel zur Richtung des elektrischen Vektors der angelegten Wellen angelegt wird.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen die Form positiver zirkulär polarisierter Wellen besitzen und daß das Magnetisierungsfeld parallel zur Richtung der Wellenfortpflanzung gerichtet ist.

4. System nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der feste ferromagnetische Teil eine Scheidewand zwischen zwei Zweigen einer Weüenleiterabzweigung bildet.

5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der feste ferromagnetische Teil einen Stopfen innerhalb eines Hohlleiters mit kreisförmigem Querschnitt bildet.

6. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Modulation der aufgedrückten elektromagnetischen Wellen bei der Arbeitsfrequenz das Mittel zum Anlegen des Magnetisierungsfeldes so beschaffen ist, daß die Stärke des Magnetisierungsfeldes in der Nähe des Wertes geändert werden kann, bei welchem das ferromagnetische Material für Wellen bei der Arbeitsfrequenz durchlässig ist.

7. System nach Anspruch 1, das als veränderbarer Phasenschieber verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der feste ferromagnetische Teil ein innerhalb eines Hohlleiters angeordneter Stopfen ist und daß das Anlegen des Magnetisierungsfeldes über Mittel erfolgt, welche die Änderung des Magnetisierungsfeldes entsprechend der gewünschten Phasenverschiebung [einer transversalen^elektrischen Welle, die den Hohlleiter durchquert, ermöglichen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»The Bell System Technical Journal«, Bd. 31,
S. 1, 10, 11, 18 und 26.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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