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Die Erfindung betrifft ein Zirkulator-Bauelement nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs
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Zirkulatoren sind passive, nicht reziproke Bauelemente mit mindestens drei Toren. Eine an einem ersten Tor eingespeiste Leistung wird geringfügig gedämpft an ein nebenliegendes Tor angekoppelt, während weitere Tore weitgehend entkoppelt sind. Eine an einem zweiten Tor angebotene Leistung wird an ein drittes Tor weitergeleitet usw. Es bietet sich daher an, derartige Zirkulatoren beispielsweise als Sende- und/oder Empfangsweichen in Sende- und/oder Empfangseinrichtungen einzusetzen. Wird z. B. bei einem dreitorigen Zirkulator an das dritte Tor ein Lastwiderstand angekoppelt, so erhält man einen sogenannten Isolator, auch Einwegleitung oder Richtungsleiter genannt. Derartige Richtungsleiter können insbesondere dazu eingesetzt werden, um die Ausgangsstufe eines Senders unempfindlich gegen Fehlanpassungen durch die Antenne zu gestalten, da eine von der Antenne zurückreflektierte Leistung nicht an die Ausgangsstufe zurücktransportiert wird, sondern in dem Lastwiderstand in Wärme umgesetzt wird.
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Die Wirkungsweise solcher Zirkulatoren basiert auf der Wechselwirkung magnetischer Werkstoffe, nämlich von Ferriten, mit den elektromagnetischen Wellen. Um das gewünschte nicht reziproke Verhalten zu erreichen, ist es dabei erforderlich, dass der jeweilige Ferrit ein anisotropes Verhalten zeigt. Diese magnetische Anisotropie erhält der Ferrit durch ein angelegtes magnetisches Gleichfeld, welches in der Regel durch geeignete Dauermagnete erzeugt wird, in deren Magnetfeld sich eine entsprechende Zirkulator-Leitungsstruktur mit dem jeweiligen Ferritelement befindet. Zirkulator-Bauelemente bzw. Richtungsleiter sind durch die Höhe der Isolation gekennzeichnet.
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Die detaillierten physikalischen Zusammenhänge sind dem Fachmann allgemein bekannt und werden daher im Folgenden nicht weiter beschrieben. Ein typisches Ausführungsbeispiel für eine Schaltung eines Zirkulators nach dem Stand der Technik ist z.B. in 7 dargestellt.
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Zirkulatoren sind hochfrequente Bauelemente mit mindestens drei Toren (Anschlüssen), die bei Einspeisung am ersten Tor Tor 1 Leistung in Form einer elektromagnetischen Welle zum zweiten Tor Tor 2 transportieren, während das dritte Tor Tor 3 isoliert ist, d.h. dort kommt keine Leistung an.
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Diese Reihenfolge kann wie folgt getauscht werden:
- a) Einspeisung am zweiten Tor z.B. Tor 2, gleichzeitig Auskopplung am dritten Tor z.B. Tor 3, und gleichzeitig ist das erste Tor z.B. Tor 1 isoliert,
- b) Einspeisung am dritten Tor z.B. Tor 3, gleichzeitig Auskopplung am ersten Tor Tor 1, und gleichzeitig ist das zweite Tor Tor 2 isoliert.
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Dieses richtungsabhängige Verhalten wird erzielt durch Ferrite (magnetische Keramiken), die einem statischen Magnetfeld ausgesetzt sind (magnetisches Bias).
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Nachfolgend ist der Aufbau eines Zirkulators (anhand eines Verzweigungszirkulators) in den 8 und 9 skizziert.
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Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Verzweigungszirkulator, bestehend aus einer Y-Leitungsverzweigung, deren Tore alle in einer Ebene liegen und beispielsweise gegeneinander um 120 Grad versetzt sind. Im Zentrum der Verzweigung befindet sich eine Ferritscheibe 8, 12. Im Einzelnen kann auf einem Substrat in üblicher Weise eine Leitungsstruktur aufgebracht sein. Hierbei kann es sich um eine herkömmliche Platine handeln, auf der die Struktur mit einem bekannten Verfahren aufgedruckt oder eingeätzt worden ist. Auf das Substrat mit der Zirkulator-Leitungsstruktur sind nahe des Zentrums der Struktur die Ferritscheiben 8, 12 aufgebracht. Die Ferritscheiben werden von einem Magnetfeld durchdrungen, das durch einen Dauermagnet 5 erzeugt wird.
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Der hochfrequente Zirkulatorkern besteht aus den Außenleitern 7, 13, dem Innenleiter 11 sowie den Ferritscheiben 8, 12.
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Die Eigenschaften der Ferrite sind temperaturabhängig. Erwärmen sich im Betrieb die Ferrite im Zirkulator durch die entstehende Verlustleistung, so verändern sich auch deren elektrische und magnetischen Eigenschaften und damit das Verhalten (hinsichtlich Rückflussdämpfung, Isolation, Einfügedämpfung, Phasenverschiebung des Transmissionspfades und weitere Eigenschaften) des gesamten Zirkulators. Bestimmte Anwendungen reagieren sehr sensibel auf Änderungen der Eigenschaften des Zirkulators. Beispielsweise wird in Magnetresonanztomographen ein solcher Zirkulator in Verbindung mit einem Wellensumpf (sehr reflexionsarmer Leitungsabschluss) am Tor 3 als Richtungsleitung eingesetzt, die den Leistungsverstärker am Tor 1 vor reflektierter Leistung, die von der Antenne bzw. Sendespule am Tor 2 kommt, schützt. Die temperaturbedingte Phasenverschiebung des Transmissionspfades (von Tor 1 nach Tor 2) wirkt sich bei mehrkanaligen Magnetresonanztomographen (MRT) sehr störend aus.
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Die temperaturbedingten Änderungen der Eigenschaften des Zirkulators könnten durch eine Regelung beispielsweise des statischen Magnetfeldes oder anderer Parameter innerhalb des Zirkulators oder durch eine Regelung von Parametern im System außerhalb des Zirkulators ausgeglichen werden, wenn die Temperatur der Ferrite innerhalb des Zirkulators hinreichend genau bekannt wäre und Änderungen der Temperatur hinreichend schnell bekannt würden, d.h. wenn der zeitliche Verlauf der Temperatur der Ferrite innerhalb des Zirkulators mit vernachlässigbarer Zeitverzögerung gemessen und ausgewertet werden könnte.
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Eine direkte Messung der Temperatur der Ferrite innerhalb des Zirkulators ist problematisch, da im Bereich zwischen den beiden Aussenleitern hohe Spannungen (der hochfrequenten Wellen) von bis zu einigen hundert Volt auftreten. Würde man im Bereich zwischen den beiden Außenleitern einen herkömmlichen Temperatursensor (NTC = Negative Temperature Coefficient Thermistors; PTC = Positive Temperature Coefficient) platzieren, dann würde dies elektrische Überschläge und damit eine Beschädigung des Zirkulators provozieren.
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Die Tatsache, dass beim Zirkulator hohe Anforderungen an die Homogenität des statischen Magnetfeldes innerhalb der Ferritscheiben gestellt werden, schränkt die Möglichkeiten bei der Platzierung von Temperatursensoren zusätzlich stark ein. Eine Messung aus der Distanz heraus z.B. mit einem Infrarotthermometer scheitert daran, dass der Bereich zwischen den Aussenleitern blickdicht abgeschlossen ist, zum einen weil der Magnetkreis keine großen Öffnungen zulässt und zum anderen weil zur leckfreien Führung der hochfrequenten Wellen mit Leistungen bis in den Kilowattbereich keine Öffnungen in der Hochfrequenz-Struktur zulässig sind.
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Die Verlustleistung fällt nicht gleichmäßig verteilt innerhalb der Ferritscheiben an, sondern weist ortsabhängig Minima und Maxima auf. Diese örtliche Verteilung der Verlustleistung und damit der Erwärmung hängt u.a. von den an den Toren angebotenen Reflexionsfaktoren (und damit von der zeitlich veränderlichen Systemumgebung des Zirkulators) ab und kann sich daher im laufenden Betrieb verändern (deshalb ist ein „Herauskalibrieren“ dieses Störeinflusses nicht möglich). Mit Hilfe nur eines einzigen Temperatursensors kann man diese Vorgänge nur örtlich integral und je nach Lage des ortsfesten Temperatursensors zu den ortsveränderlichen Maxima der Temperatur nur mit einer unbekannten Zeitverzögerung messen.
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Bisher ist es möglich, die Temperatur der Ferrite im Zirkulator indirekt zu messen. Beispielsweise wird die Verlustleistung des Zirkulators bestimmt durch eine Messung der Wassertemperatur und der Wasserdurchflussmenge sowohl am Zulauf als auch am Ablauf des Wasserkühlers des Zirkulators. Zusätzlich wird die Temperatur des Dauermagneten innerhalb des Zirkulators mittels eines Temperatursensors (PTC, NTC) gemessen. Auf der Grundlage dieser Messwerte wird anhand eines empirischen Modells auf die Temperatur des Ferrits geschlossen.
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Der Nachteil dieses Verfahrens ist die geringe Geschwindigkeit (die Zeitkonstanten liegen bei zehn Sekunden und auch weit mehr) der Bestimmung der Temperatur der Ferrite. Dies ist i.d.R. ausreichend, um bei Anwendungen der Zirkulatoren z.B. in Rundfunksendern oder in Plasmaheizungen die Änderungen der Eigenschaften des Zirkulators auszuregeln.
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Bei medizintechnischen Anwendungen ist diese Messgeschwindigkeit jedoch i.d.R. zu gering, d.h. eine darauf basierende Ausregelung der Änderung der Eigenschaften des Zirkulators wäre zu langsam.
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Eine weitere Möglichkeit der Temperaturmessung besteht darin, den Temperatursensor 30 an der Grenzfläche zwischen Außenleiter und Polscheibe – wie es z.B. in 9 gezeigt wird – d.h. außerhalb des hochfrequenten Zirkulatorkerns anzubringen.
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So beeinflusst der Temperatursensor weder die hochfrequente Schaltung (hinsichtlich Reflexionen und Spannungsüberschlägen) noch den Magnetkreis (hinsichtlich Homogenität des statischen Magnetfeldes). Allerdings liegt der Temperatursensor zwischen den Ferritscheiben (als Wärmequelle) und dem Kühlkörper (als Wärmesenke). Dadurch ergibt sich statisch und dynamisch immer eine Abweichung des Temperaturmesswertes von der tatsächlichen Temperatur der Ferritscheiben. Auch diese Art der Temperaturmessung ist i.d.R. zu langsam für medizintechnische Anwendungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zirkulator- Bauelement der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass eine zuverlässige Temperaturmessung ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Zirkulator-Bauelement mit einem Zirkulatorkern, umfassend zumindest zwei Außenleiter und wenigstens einen Innenleiter sowie mindestens zwei Ferritelemente und mit mindestens einem temperatursensitiven Bereich zur Messung der Temperatur der Ferritelemente, dadurch gekennzeichnet, dass der temperatursensitive Bereich innerhalb des Zirkulatorkerns angeordnet ist.
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Hierbei sollte jeder temperatursensitive Bereich durch mindestens eine Isolationsschicht elektrisch vom Innenleiter isoliert sein.
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Desweiteren sollte jeder temperatursensitive Bereich durch mindestens eine Isolationsschicht 10 elektrisch von den Ferritelementen 8, 12 isoliert sein.
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Abhängig von den elektrischen Eigenschaften des temperatursensitiven Bereiches kann ggf. auf die Isolationsschicht verzichtet werden.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist eine Verlagerung des Temperatursensors von Orten außerhalb des hochfrequenten Zirkulatorkernes an einen Ort innerhalb des Zirkulatorkerns vorgesehen. Dadurch liegt der Temperatursensor direkt an der Wärmequelle (Ferritscheibe), wodurch keine Laufzeiteffekte von der Wärmequelle bis zum Sensor entstehen. Ausserdem ist eine schnelle und genaue Messung mit geringen Messfehlern möglich. Ausserdem erfährt der Temperatursensor keine Beeinflussung bzw. Verfälschung des Messergebnisses durch den Kühlkörper.
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Der mindestens eine temperatursensitive Bereich 9 ist mit Hilfe von mindestens zwei galvanischen Kontakten 17 und 18 elektrisch kontaktierbar.
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Vorzugsweise kann die Isolationsschicht aus einer Kapton- Folie bestehen.
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Das Zirkulator-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist dadurch gekennzeichnet, dass temperatursensitive Bereiche (9, 9a) durch Sensorbereiche und Isolationschichten beliebig strukturiert und/oder segmentiert werden können. Durch eine Segmentierung des temperatursensitiven Bereichs bzw. der temperatursensitiven Scheibe ist eine ortsaufgelöste Temperaturmessung möglich.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann der temperatursensitive Bereich einen verteilten Temperatursensor, insbesondere eine temperatursensitive Scheibe, aufweisen. Bei der Nutzung eines verteilten Temperatursensors (temperatursensitive Scheibe) anstelle eines konzentrierten Temperatursensors (NTC, PTC) treten keine Laufzeiteffekte von Temperaturspitzen innerhalb der Ferritscheibe zum Temperatursensor auf. Ausserdem ist eine Integrale Messung über örtlich verteilte Temperaturspitzen innerhalb der Ferritscheiben möglich; aufgrund seiner Eigenschaften beeinflusst der Temperatursensor die Homogenität des Gleichmagnetfeldes innerhalb des Zirkulators nicht.
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Für den temperatursensitiven Bereich kann ein schwach leitfähiges, temperatursensitives Material, insbesondere Halbleiter-Material oder ein leitfähiges Polymer, verwendet werden.
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Bei der Nutzung eines nur schwach leitfähigen temperatursensitiven Materials (Halbleiter, leitfähiges Polymer) anstelle eines metallischen oder metallhaltigen Temperatursensors (NTC, PTC) werden keine keine Überschläge innerhalb des hochfrequenten Zirkulatorkerns hervorgerufen. Ausserdem werden nur geringe Verluste durch den Temperatursensor bzw. temperatursensitiven Bereich in den hochfrequenten Zirkulatorkern eingebracht.
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Sende- und/oder Empfangseinrichtung mit einem Zirkulator- Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Dieses Zirkulator-Bauelement kann in einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung, insbesondere in einem Magnetresonanztomographen verwendet werden.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
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7, 8, 9 den eingangs erwähnten Stand der Technik,
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1, 2, 5 und 6 erfindungsgemäße Anordnungen einer temperatursensitiven Schicht innerhalb des hochfrequenten Zirkulatorkerns, und
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3 und 4 eine erfindungsgemäße Anordnung des Temperatursensors mit Segmentierung.
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Bzgl. der Komponenten bzw. Elementen der in den Figuren gezeigten Anordnungen wird zusätzlich auf die Bezugszeichenliste Bezug genommen.
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Gemäß 1 und 2 wird Innerhalb des hochfrequenten Zirkulatorkerns, d.h. zwischen den Außenleitern 7 und 13 eine temperatursensitive Schicht 9 platziert und durch eine Isolationsschicht 10 elektrisch vom Innenleiter 11 isoliert. Die temperatursensitive Schicht 9 wird mit Hilfe von zwei galvanischen Kontakten 17 und 18 elektrisch kontaktiert. Die temperatursensitive Schicht 9 ändert ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit ihrer Temperatur. Dieser elektrische Widerstand wird zwischen den Kontakten 17 und 18 gemessen. Die temperatursensitive Schicht 9 wird durch die Ferritscheiben 8 und 12 erwärmt und ändert in Folge dessen ihren elektrischen Widerstand; dieser elektrische Widerstand spiegelt somit die Temperatur der Ferritscheiben 8 und 12 wider. Bei Bedarf können hochfrequente Spannungen aus dem Zirkulatorkern, die unerwünschterweise die Kontakte 17 und 18 erreichen, durch die Kondensatoren 19 und 20 abgeleitet werden. Die Isolationsschicht 10 – beispielsweise eine Kapton-Folie – weist eine geringe Dicke von wenigen Mikrometern bis hinzu einigen zehn Mikrometern auf. Die temperatursensitive Schicht 9 weist beispielsweise Dicken zwischen wenigen Mikrometern und wenigen Millimetern auf.
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Die temperatursensitive Schicht 9 sollte folgende Eigenschaften aufweisen:
- – Ihr elektrischer Widerstand ist im zu überwachenden Temperaturbereich messbar temperaturabhängig.
- – Sie ist elektrisch nur sehr schwach leitfähig, um nur wenig zusätzliche Verluste in den Zirkulatorkern einzubringen und damit die Einfügedämpfung des gesamten Zirkulators nur geringfügig zu erhöhen.
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Diese Eigenschaften der temperatursensitiven Schicht 9 können beispielsweise durch den Einsatz folgender Materialen erzielt werden:
- a) Halbleiter: Die Leitfähigkeit des intrinsischen Halbleiters ist stark temperaturabhängig. Die Eigenleitung (intrinsisches Verhalten) sollte im zu überwachenden Temperaturbereich deutlich gegenüber der durch Donatoren und Akzeptoren verursachten Leitfähigkeit überwiegen. Dies macht den Einsatz von hochreinen Halbleitern notwendig.
- b) Leitfähige Polymere: Die Leitfähigkeit dieser Kunststoffe ist temperaturabhängig; somit ähneln diese Kunststoffe diesbezüglich den Halbleitern.
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Die Erfindung kann durch folgende Maßnahme erweitert werden:
Es werden zwei temperatursensitive Schichten 9 und 9a in den hochfrequenten Zirkulatorkern eingebracht und durch eine Isolationsschicht 10 voneinander elektrisch isoliert, wie es beispielsweise in 3 gezeigt wird. Die beiden zwei temperatursensitiven Schichten 9 und 9a sind jede für sich dergestalt strukturiert, dass darauf schwach leitfähige, temperaturabhängige Bereiche (Sensorbereiche) durch sehr schwach leitfähige bzw. praktisch nicht leitfähige Zonen (Isolationszonen) elektrisch voneinander isoliert sind (Segmentierung der temperatursensitiven Schichten).
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Der Leitfähigkeitsunterschied zwischen den Sensorbereichen und den Isolationszonen kann z.B. durch lokal unterschiedliche Dotierung der Halbleiter bzw. der leitfähigen Polymere erzielt werden. Die temperatursensitiven Schichten 9 und 9a können durch die Sensorbereiche und Isolationszonen beliebig strukturiert bzw. segmentiert werden. Es können beliebig viele Sensorbereiche und Isolationszonen innerhalb einer temperatursensitiven Schicht realisiert werden.
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Die einzelnen Sensorbereiche innerhalb der temperatursensitive Schichten 9 und 9a werden mittels der galvanischen Kontakte 17, 17.1, 17.1, 17.2, 17.3, ..., 17.x und 18, 18.1, 18.2, 18.3, ..., 18.x bzw. 17.a, 17.a.1, 17.a.2, 17.a.3, ..., 17.a.x und 18.a, 18.a.1, 18.a.2, 18.a.3, ..., 18.a.x angesprochen und ausgewertet, wie es beispielsweise in 4 dargestellt ist. Damit wird eine ortsaufgelöste Messung der Temperatur innerhalb der Ferritscheiben und damit eine bessere Voraussage über das Verhalten des gesamten Zirkulators ermöglicht. Gegebenenfalls ist eine Erweiterung auf mehr als zwei temperatursensitive Schichten angezeigt, um die Ortsauflösung der Messung zu verbessern.
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Weitere Varianten der Erfindung sind möglich:
- a) Zusätzliche Isolationsschicht 10b zwischen temperatursensitiver Schicht 9 und Ferritscheibe 8 (siehe 5), um Verfälschungen des Messergebnisses durch die endliche Leitfähigkeit der Ferritscheibe zu verhindern.
- b) Temperatursensitive Schichten 9 und 9c an beiden Ferritscheiben 8 und 12 (siehe 6).
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Bezugszeichenliste
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- 1, 16
- Kühlkörper
- 2, 3, 4, 15
- magnetischer Rückschluss
- 6, 14
- Polscheibe
- 7, 13
- Außenleiter
- 8, 12
- Ferritscheibe
- 11
- Innenleiter
- 9, 9a, 9c
- temperatursensitive Schicht
- 10, 10b, 10c, 10d
- Isolationsschicht
- 17, 18, 17.1, 17.2, 17.3, 17a, 17a.1, 17a.2, 17a.3 18.1, 18.2, 18.3, 18a, 18a.1, 18a.2, 18a.3
- elektrischer Kontakt
- 19, 19c, 20, 20c
- Kondensatoren
- 30
- Temperatursensor
- Tor 1, Tor 2, Tor 3
- Tore
