DE1027745B - Nicht reziproke Schaltelemente - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft nicht reziproke Übertragungselemente für elektromagnetische Energiewellen unterhalb des Mikrowellenfrequenzbereichs.

Es ist das Ziel der Erfindung, für Energiewellen dieses Frequenzbereichs, die durch koaxiale oder symmetrische Übertragungsleitungen fortgepflanzt werden, nicht reziproke Dämpfungsglieder und nicht reziproke Phasenschieber zu schaffen, wobei von den nicht reziproken Eigenschaften von polarisierten Elementen aus gyromagnetische!« Material Gebrauch gemacht wird.

Für Energiewellen im und oberhalb des Mikrowellenfrequenzbereichs, die in Hohlleitern od. dgl. fortgepflanzt werden, sind derartige Schaltelemente bereits bekannt. Eine vollständige Übersicht hierüber findet sich z.B. in einem Aufsatz von A. G. Fox, S. E. Miller und M. T. Weiss im »Bell System Technical Journal«, Januar 1955, S. 5 bis 103, mit dem Titel »Behavior and Applications of Ferrits in the Microwave Range«.

Es ist ferner eine Einrichtung zur Kopplung zweier Lecherleitungen bekanntgeworden, die als Schalter oder Modulator wirkt und bei der im Überlappungsgebiet der beiden Leitungen ein in Längsrichtung vormagnetisiertes gyromagnetisches Element vorgesehen ist.

Bei Abwesenheit des Polarisationsfeldes wird bei dieser Einrichtung keine Leistung von einer Leitung zur anderen übertragen, während eine Kopplung und damit eine Übertragung von Leistung stattfindet, sobald ein polarisierendes Feld angelegt wird. Beim Betrieb als Modulator hat das polarisierende Magnetfeld im Ruhezustand einen mittleren Wert. Bei Anlegen eines Modulationssignals schwankt es um diesen mittleren Wert, wobei die von einer Leitung zur anderen übertragene Leistung größer und kleiner wird. Das magnetische Feld ist dabei an jedem Punkt des gyrornagnetischen Materials linear polarisiert.

Die Erfindung geht von einem nicht reziproken Schaltelement für elektromagnetische Wellen unterhalb des Mikrowellenfrequenzbereichs aus, welches aus einer Vielzahl von leitenden Elementen besteht, die in Längsrichtung auf einem größeren Teil ihrer Länge parallel zueinander liegen und gegeneinander isoliert sind, wobei die Leiter sehr dicht beieinander liegen, so daß ein Teil des magnetischen Feldes einer unabhängigen Energiewelle, die von einer ersten aus zwei der Leiter bestehenden Übertragungsanordnung geführt wird, einen Raum einnimmt, den er mit einem Teil wenigstens einer anderen unabhängigen Energiewelle gemeinsam hat, die von einer zweiten aus zwei Leitern bestehenden Übertragungsanordnung geführt wird, und aus einem in dem gemeinsamen Raum angeordneten polarisierten Element, das aus gyromagne-Nictit reziproke Schaltelemente

Anmelder:

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

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

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Januar 1955

Albert McCavour Clogston, Mendham, N. J.,

und John Howard Rowen, Morristown, N. J. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

tischem Material zusammengesetzt ist. Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß die unabhängigen Energiewellen auf beiden Übertragungsanordnungen mit gleicher Frequenz, aber verschiedenen relativen Phasenwinkeln derart erregt werden, daß deren zugehörige magnetische Felder bei ihrer Überlagerung ein in dem Element aus gyromagnetischem Material entstehendes zirkulär polarisiertes magnetisches Feld erzeugen, wobei die Drehung des Feldes bei Übertragung in der einen Richtung in einem Sinn und bei Übertragung in der umgekehrten Richtung im umgekehrten Sinn stattfindet. Wenn das Polarisierungsfeld auf die Stärke eingestellt ist, die zur Erzeugung einer ferromagnetische!! Resonanz im gyromagnetische!! Material erforderlich ist, wird ein wesentlicher Teil der Energie bei einer Drehrichtung und Fortpflanzungsrichtung absorbiert, jedoch bleibt sie bei der anderen Dreh- und Fortpflanzungsrichtung im wesentlichen unbeeinflußt, die Einrichtung wirkt als nicht reziprokes Dämpfungsglied. Wenn das Polarisierungsfeld auf eine Stärke eingestellt ist, die wesentlich unterhalb der zur Erzeugung der gyromagnetischen Resonanz erforderlichen liegt, wird eine nicht reziproke Phasenverschiebung hervorgebracht.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung in Verbindung mit einigen speziellen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen koaxialen Isolators oder richtabhängigen Phasenschiebers;

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Fig. 2 ist ein Querschnitt der Ausführung in Fig. 1. welcher die Linien des magnetischen Feldbildes zeigt, wie sie bei der Ausführung in Fig. 1 erregt werden;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführung der Erfindung, bei der symmetrische Lecherleitungen verwendet werden;

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführung der Erfindung, die einen breitbandigen Material ist als ferromagnetischer Spinel oder als Ferrit bekannt. Häufig werden diese Stoffe zunächst pulverisiert und dann mit einem kleinen Prozentsatz plastischen Materials geschmolzen. Ein spezielles Material, das bei den in der vorliegenden Erfindung betrachteten niedrigeren Frequenzen besonders geeignet ist, stellt Magnesium-Mangan-Aluminium-Ferrit dar, von dem festgestellt wurde, daß es einen ferromagnetischen Resonanzeffekt in einem niedrigeren

g
Isolator oder richtabhängigen Phasenschieber zeigt.

Es wird nun insbesondere auf Fig. 1 eingegangen. io Frequenzbereich zeigt als die früher betrachteten

Dort ist ein Ausführungsbeispiel eines koaxialen Iso- Ferrite, und zwar bei Werten des magnetischen PoIa-

lators oder richtabhängigen Phasenschiebers darge- risierungsfeldes, die in der Praxis erreichbar sind,

stellt, der aus zwei gleichen langgestreckten leitenden Man hat beobachtet, daß diese Frequenzen den

Elementen oder Drähten 11 und 12 besteht, die sich Frequenzbereich von unterhalb 170 Megahertz bis

parallel zueinander in gleichen exzentrischen Lagen 15 2000 Megahertz umfassen, und zwar bei Feldstärken,

innerhalb eines langgestreckten leitenden Zylinders oder Mantels 13 erstrecken. Die Leiter 11 und 12 können innerhalb des Zylinders 13 durch eine Vielzahl von Abstandsstücken, wie das Stück 14, gehalten werden, die aus einem Material hergestellt sind, das eine Dielektrizitätskonstante hat, die nahe derjenigen der Luft liegt. Die Leiter 31 und 33 bilden Fortsetzungen des Leiters 11 und die Leiter 32 und 34 Fortsetzungen des Leiters 12. Diese Fortsetzungen erstrecken sich durch keramische oder andere isolierende Durchführungsscheiben 16 und 17 in den leitenden Endwänden 18 und 19 des Zylinders 13. Die Fortsetzungen 31 und 32 werden vereinigt, so daß sie den Mittelleiter einer" üblichen koaxialen Schleife 20 bilden, deren Außenmantel 22 air die Platte 18 angeschlossen ist. Eine gleiche Schleife 21 besteht aus den inneren Leitern 33 und 34 und ihrem Mantel 23, wobei der letztere an die Platte 19 angeschlossen ist. Der Durchmesser des Mantels 13 beträgt einen kleinen Bruchteil, und zwar wesentlich weniger als die Hälfte, der Wellenlänge der fortschreitenden Energie, so daß er nicht als kreisförmiger Hohlleiter für diese Energie wirkt. Der Durchmesser wird insbesondere gemäß der bekannten Praxis so gewählt, daß eine Impedanzdie von weniger als etwa 200 bis 850 örsted reichen.

Das Element 27 ist von einem magnetischen Polarisationsfeld durchflossen, das parallel zur Fortpflanzungsrichtung der entlang der Leiter 11 und 12 geleiteten Wellen liegt. Dieses Feld kann durch eine Zylinderspule 28 erzeugt werden, die außerhalb des Mantels 13 angeordnet ist und mit Erregerstrom aus einer Quelle 29 über den Rheostat 30 versorgt wird. Um die folgende Erklärung zu erleichtern, ist diesem Feld eine spezielle Polarität zugeordnet, wie sie in der Zeichnung angegeben ist, wobei sein Nordpol am Ende zur Schleife 20 hin liegt. Daher sind alle später genannten Bezeichnungen »im Uhrzeigersinn« und »entgegen dem Uhrzeigersinn« in der positiven Richtung dieses Feldes gesehen, d. h. von der Schleife 21 zur Schleife 20. Es sei jedoch festgestellt, daß das Element 27 auch mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert- werden kann, ferner auch durch eine Zylinderspule irgendeines geeigneten physikalischen Aufbaus oder durch eine Permanentmagnetanordnung. Das ferromagnetische Material des Elements 27 kann auch permanent magnetisiert sein.

Es wurde festgestellt, daß, wenn ein Element aus gyromagnetischem Material, das sich im Weg einer

anpassung zwischen den beiden Enden der Schleifen 40 elektromagnetischen Welle in einem Gebiet befindet, d Li 2 d F

wo das magnetische Feldbild der Welle beim Fortschreiten der Welle eine im wesentlichen zirkulär polarisierte Komponente aufweist, und wenn das Element durch ein quer zur Ebene der Wellenpoläri-

Element infolge - einer ferromagnetischen Resonanzabsorption eine Welle mit einer — in der positiven

20 und 21 und dem aus den Leitern 11 und 12 und dem Mantel 13 bestehenden Übertragungssystem vorhanden ist.

Eine koaxiale T-Verbindung 24 ist in der Schleife

20 vorgesehen, wobei der Verbindungspunkt so liegt, 45 sationsdrehung befindliches magnetisches Feld von hindaß der Leiter 32 um ein ungerades Vielfaches der reichender Stärke polarisiert wird, um eine ferroelektrischen Viertelwellenlängen der zu übertragenden magnetische Resonanz im Material zu erzeugen, das Energie, gemessen vom Ende des Leiters 12 aus, langer

wird als der Leiter 31, gemessen vom Ende des Leiters

11 aus. Eine gleiche Verbindung 26 ist für die Schleife 50 Richtung des magnetischen Feldes betrachtet — sich

21 vorgesehen, die um ein ungerades Vielfaches von im Uhrzeigersinn drehenden Komponente wesentlich

dämpft, jedoch eine Welle mit sich gegen den Uhrzeigersinn drehenden Feldkomponenten wenig dämpft. Wenn das magnetische Feld auf eine Stärke herab-55 gesetzt wird, die wesentlich unterhalb derjenigen liegt, welche eine ferromagnetische Resonanz erzeugt, treffen die Komponenten mit einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn in gleicher Weise auf eine Permeabilität, die anwächst und größer als Eins wird, wenn die kann dadurch gehalten werden, daß es durch Öffnun- 60 Feldstärke erhöht wird, während die Welle mit einer gen im Abstandsstück 14 und in den Wänden 18 und Drehung- im Uhrzeigersinn auf eine Permeabilität 19 geführt wird. Insbesondere kann das Element 27
aus irgendwelchen der verschiedenen ferromagnetischen Stoffe hergestellt sein, die sich in einer Spinel-Struktur vereinigen. Zum Beispiel kann es aus Eisen- 65 schiedliche Verzögerung für die sich entgegengesetzt oxyd mit einer geringen Menge eines oder mehrerer drehenden Komponenten.

zweiwertiger Metalle, wie Nickel, Magnesium, Zink, Beim Betrieb der Ausführung der Fig. 1 wird eine

Mangan, Aluminium oder anderer ähnlicher Stoffe, Wellenenergie an den Anschluß 25 der Verbindung 24 bestehen, wo sich die anderen Metalle mit dem Eisen- angelegt und in der Verbindung in gleiche Teile geoxyd zu einer Spinel-Struktur vereinigen. Dieses 70 teilt, wobei eine Hälfte als Spannung zwischen dem

Viertelwellenlängen näher am Leiter 12 als am Leiter 11 liegt. Die Verbindungen 24 und 25 können normale koaxiale T-Verbindungen irgendeiner Art sein.

Parallel zu den Leitern 11 und 12 erstreckt sich in einer in gleicher Weise zu diesen Leitern versetzten Linie, die später eingehender definiert wird, ein langgestreckter Zylinder bzw. ein bleistiftartiges Element aus gyromagnetischem Material. Das Element 27 trifft, die abnimmt und kleiner als Eins wird, wenn die Feldstärke erhöht wird. Hierdurch entsteht eine unterschiedliche Phasenkonstante und eine unter-

Mantel 22 und dem Leiter 31 erscheint und das magnetische Feld konzentrisch zum Leiter 31 liegt, während die andere Hälfte als Spannung zwischen dem Mantel 22 und dem Leiter 32 erscheint und das Feld konzentrisch zum Leiter 32 liegt. An der Platte 18 erregt die den Leiter 31 umgebende Energie eine Spannung zwischen dem Mantel 13 und dem Leiter 11 und wird als Wellenform mit einer dem Leiter 11 umgebenden magnetischen Feldverteilung, wie sie durch die Linien 36 in Fig. 2 dargestellt ist, eingeführt. In gleicher Weise erregt die den Leiter 32 umgebende Energie eine Spannung zwischen dem Mantel 13 und dem Leiter 12 und führt eine Wellenform mit einer den Leiter 12 umgebenden magnetischen Feldverteilung ein, wie sie durch die Linien 37 in Fig. 2 dargestellt ist. Ein Teil des Feldes 36 nimmt innerhalb des gemeinsamen Mantels 13 einen Raum ein, den es mit dem Feld 37 gemeinsam hat. Nun gibt es zwei Linien, deren Projektionen in Fig. 2 als 38 und 39 angegeben sind, in diesem gemeinsamen Raum auf der Symmetrieebene zwischen den Leitern 11 und 12, wo die entsprechenden Linien der magnetischen Felder 36 und 37 senkrecht zueinander stehen. Wegen der um eine viertel Wellenlänge größere Länge des Leiters 32 eilt das Feld 37 dem Feld 36 um 90° nach, und das resultierende magnetische Feld an den Punkten 38 und 39 ist zirkulär polarisiert und dreht sich — in der oben definierten positiven Feldrichtung betrachtet — entgegen dem Uhrzeigersinn. Jede dieser beiden Linien ist die Linie, auf die oben bei der Definition der Lage des Elements 27 Bezug genommen wurde.

Daher erleiden Wellen, die in den Anschluß 25 angelegt sind und im Mantel 13 von links nach rechts fortschreiten, infolge der gyromagnetischen Wirkung des Elements 27, eine geringe oder gar keine Dämpfung, wenn dieses durch ein Feld mit der in der Zeichnung angegebenen Polarität von hinreichender Stärke polarisiert ist, um eine gyromagnetische Resonanz im Material des Elements 27 zu erzeugen. Am rechten Ende der Anordnung wird die Energie innerhalb des Mantels 13 abermals in Felder geteilt, welche die Leiter 33 und 34 umgeben, wobei der den Leiter 33 umgebende Teil eine besondere Verzögerung von einer viertel Wellenlänge erhält, so daß die beiden Teile an der Verbindung 26 in Phase zusammenkommen. Bei der umgekehrten Fortpflanzungsrichtung, d. h. von rechts nach links, eilt das den Leiter 11 umgebende Feld 36 dem den Leiter 12 umgebenden Feld 37 um 90° nach, so daß das an der Stelle des Elements 27 erscheinende resultierende Feld sich im Uhrzeigersinn zu drehen scheint, wenn es in der definierten positiven Richtung des Polarisierungsfeldes betrachtet wird. Diese Welle wird daher infolge der gyromagnetischen Wirkung des Elements 27 wesentlich gedämpft.

Das Ergebnis ist ein richtabhängiges Dämpfungsglied, das eine in der einen Richtung fortschreitende Wellenenergie wesentlich dämpft, während es eine in der entgegengesetzten Richtung fortschreitende Wellenenergie nur wenig dämpft. Der Grad der ferromagnetischen Dämpfung ist hauptsächlich eine Funktion der Länge des gyromagnetischen Materials, das sich in der Richtung erstreckt, wo eine ferromagnetische Resonanz auftritt, während gewisse reziproke dielektrische Verluste mit seinem Gesamtvolumen zusammenhängen. Vorzugsweise wird daher der Durchmesser des Elements 27 klein gehalten, um seine dielektrischen Verluste in der Richtung kleiner Dämpfung herabzusetzen, und seine Länge parallel zu den Leitern 11 und 12 wird' mehrere Wellenlängen lang gemacht, damit eine hinreichende Dämpfung entsteht, um die in Richtung hoher Dämpfung laufende Welle je nach Wunsch ganz oder teilweise zu absorbieren. .

Bei einem Anwendungsbeispiel kann die Ausführung der Fig. 1 unmittelbar in die koaxiale Leitung zwisehen einer Quelle und einer Belastung eingesetzt werden. Es wird Energie von der Quelle zur Belastung geliefert, doch sind mögliche Reflexionen von der Belastung nicht in der Lage, die Quelle zu erreichen und zu stören. Man sieht, daß die relative Richtung der ίο ferromagnetischen Dämpfung von dem Sinn des angelegten magnetischen Feldes abhängt, so daß eine Umkehr des Sinns des Feldes die Richtung der maximalen Dämpfung umkehrt.

Wenn das magnetische Polarisierungsfeld wesent-Hch herabgesetzt wird, indem der Magnetisierungsstrom mit dem Rheostat 30 auf einen Wert wesentlich unterhalb desjenigen verringert wird, bei dem eine ferromagnetische Resonanz entsteht, wird die Einrichtung der Fig. 1 ein richtabhängiger Phasenschieber,

ao wobei denjenigen Wellen eine maximale Phasenverzögerung verliehen wird, die durch den Mantel 13 von links nach rechts fortschreiten, und die sich entgegen dem Uhrzeigersinn drehende magnetische Wellenkomponenten an der Stelle des Elements 27 aufweisen.

Eine minimale Phasenverzögerung erleiden von rechts nach links fortschreitende Wellen, die an der Stelle des Elements 27 sich im Uhrzeigersinn drehende Komponenten aufweisen. Die relativen Größen der Phasenverschiebungen sind eine Funktion der Stärke des Magnetisierungsfeldes und können durch Einstellen des Rheostats 30 geändert werden.

Eine für ein symmetrisches Zweidraht-Übertragungssystem geeignete Ausführung ist in Fig. 3 dargestellt. Wie ersichtlich, besteht diese Ausführung aus zwei Paaren von parallelen langgestreckten Leitern 41, 42, 43 und 44, die gleichen Abstand haben und symmetrisch zueinander angeordnet sind. Dünne quer liegende dielektrische Abstandsstücke 45 bis 48 sind in Abständen entlang der Leiter angeordnet, um sie in diese gegenseitige Lage zueinander zu halten. Diese werden durch einen starren zylindrischen Mantel 49 gehalten, der aus leitendem, nichtleitendem oder elektrisch dämpfendem Material bestehen kann. Der Mantel 49 schützt die Leiter 41 bis 44 gegen äußere mechanische und elektrische Einflüsse, spielt aber sonst keine wesentliche Rolle bei der elektrischen Arbeitsweise dieser Ausführung. Um einen Bezug zu haben, werden die Längsteile der Leiter 41 bis 44 zwischen den Abstandsstücken 46 und 47 als Mittelteile der Leiter bezeichnet, während die Teile zwischen den Abstandsstücken 45 und 46 sowie 47 und 48 als linke bzw. rechte Fortsetzungen der Leiter bezeichnet werden.

Zentral in bezug auf die Leiter 41 bis 44 und deshalb koaxial zum Mantel 49 ist ein langgestrecktes Element 51 - aus gyromagnetischem Material ähnlich dem Element 27 der Fig. 1 angeordnet. Das Element 51 erstreckt sich zusammen mit dem Mittelteil der Leiter 41 bis 44 in Längsrichtung und kann in dieser Lage dadurch gehalten werden, daß es durch die zentral gelegenen öffnungen in den Abstandsstücken 46 und 47 geführt ist. Ein in Längsrichtung gelegenes polarisierendes magnetisches Feld für das Element 51 wird durch eine Kombination aus der Zylinderspule 52, der Quelle 53 und dem Rheostat 54 geliefert. Es sei angenommen, daß dieses Feld dieselbe Polarität hat, wie sie in der Ausführung der Fig. 1 angegeben ist. Das Mittelteil des Leiterpaars, das aus den diametral gegenüberliegenden Leitern 42 und 43 besteht, wird durch eine Spannungswelle erregt, die um 90° gegen die Spannung phasenverschoben ist, welche im

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Mittelteil des Leiterpaars erregt wird, das aus den Wenn auch das spezielle Verfahren, das für die ErLeitern 41 und 44 besteht, so daß dem Element 51 eine regung der diametral gegenüberliegenden Leiterpaare zirkulär polarisierte Welle dargeboten wird. Eine neu- mit Spannungen mit einer Phasendifferenz von 90° artige Art zum Erreichen dieser Erregung ist in Fig. 3 dargestellt wurde, für die vorliegende Erfindung bedargestellt. Diese besteht allgemein ausgedrückt im 5 sonders geeignet ist, so sei doch bemerkt, daß auch Belasten des einen Leiterpaars im Verhältnis zum andere Mittel verwendet werden können. Zum Beispiel anderen. Insbesondere wird die linke Fortsetzung der kann die elektrische Länge eines Leiterpaars durch Leiter 41 und 44 durch eine Fahne 55 aus Material andere Belastungsverfahren oder durch eine tatsächmit einer hohen Dielektrizitätskonstanten belastet, die liehe Differenz ihrer physikalischen Länge um 90° diametral zwischen den Leitern 41 und 44 in deren io größer als diejenige des anderen Leiterpaars gemacht Ebene liegt und sich entlang der Leiter über eine so werden. Ferner ist ein neuartiges Verfahren zur Ergroße Strecke ausdehnt, daß eine 90°-Verzögerung regung der gewünschten Spannungswellen, das den einer Spannung zwischen den Leitern 41 und 44 her- Vorteil hat, breitbandig zu sein, in Fig. 4 dargestellt, vorgebracht wird. Eine ähnliche Fahne 56 ist zwischen wo drei gleiche langgestreckte Leiter oder Drähte 61, den rechten Fortsetzungen der Leiter 42 und 43 vor- 15 62 und 63 parallel zueinander in Längsrichtung liegen gesehen. Die linken Enden der benachbarten Leiter 41 und an Punkten mit gleichen Querabständen am Um- und 42 sind durch die Brücke 57 verbunden, so daß fang eines Kreises angeordnet sind. Die Leiter 61 bis sie einen Anschluß des symmetrischen Eingangs der 63 können in dieser Lage auf verschiedene Weise geEinrichtung bilden, während die Leiter 43 und 44 eignet gehalten werden, von denen eine Weise darin durch die Brücke 58 verbunden sind, so daß sie den 20 besteht, daß die Längsfortsetzungen der Leiter 61 bis anderen Anschluß bilden. Ein ähnlicher Anschluß ist 63 in dielektrischen Teilen 64 und 65 eingebettet sind, zu den rechten Enden der Leiter durch die Brücke 59 deren Form und weiterer Zweck später eingehender zwischen den Leitern 41 und 42 und durch die Brücke betrachtet werden. Sie werden außerdem durch einen 60 zwischen den Leitern 43 und 44 hergestellt. starren, zylindrischen Mantel 66 gehalten, der aus

Beim Betrieb der Ausführung der Fig. 3 als Isola- 25 leitendem, nichtleitendem oder elektrisch dämpfendem

tor wird die Stärke des durch die Zylinderspule 52 Material bestehen kann. Der Mantel 66 schützt die

gelieferten magnetischen Feldes so eingestellt, daß ein Leiter 61 bis 63 gegen äußere mechanische und elek-

ferromagnetischer Resonanzzustand im Element 51 irische Beeinflussungen, spielt jedoch sonst keine

hervorgebracht wird. Eine zur Erde symmetrische wesentliche Rolle für die elektrische Arbeitsweise der

Spannung wird von einer Quelle zwischen den Brük- 30 Erfindung.

ken 57 und 58 angelegt. Wenn die Welle nach rechts In gleicher Weise in bezug auf die Leiter 61 bis 63

läuft, wird die Spannung zwischen den Leitern 41 und ist in Längsrichtung in der Mitte des durch die Quer-

44 allmählich durch die Fahne 55 gegenüber der Span- lage der Leiter 63 bis 64 definierten Kreises ein lang-

nung zwischen den Leitern 42 und 43 verzögert, bis gestreckter Zylinder bzw. ein bleistiftförmiges Element

am rechten Ende der Fahne 55 das symmetrische 35 67 aus gyromagnetischem Material angeordnet. Das

Vierdrahtsystem eine zirkulär polarisierte Welle führt. Element 67 kann dadurch gehalten werden, daß die

Bei der dargestellten Ausführung dreht sich eine zugespitzten Enden der Teile 68 und 69 der dielek-

solche zirkulär polarisierte Welle entgegen dem Uhr- irischen Elemente 64 und 65 sich in die konischen

zeigersinn, in positiver Richtung des magnetischen Ausnehmungen 70 und 71 in den Enden des Elements

Polarisierungsfeldes betrachtet. Eine solche sich ent- 40 67 erstrecken. Das Material des Elements 67 hat elek-

gegen dem Uhrzeigersinn drehende Welle wird durch irische und magnetische Eigenschaften der Art, wie

den ferromagnetischen Resonanzzustand des Elements sie oben für das Element 27 der Fig. 1 beschrieben

51 wenig beeinflußt. Die Fahne 56 verleiht der Span- wurden.

nung zwischen den Leitern 42 und 43 gegenüber der Das Element 67 wird durch ein magnetisches Feld

Spannung zwischen den Leitern 41 und 44 eine Korn- 45 polarisiert, das parallel zur Fortpflanzungsrichtung

pensationsverzögerung von 90°, so daß zwischen den der entlang der Leiter 61 bis 63 geleiteten Wellen

Brücken 59 und 60 die beiden Komponenten in Phase liegt. Dieses Feld kann durch eine Zylinderspule 72

sind und eine resultierende Spannung an die ge- erzeugt werden, die auf der Außenseite des Mantels

wünschte Belastung geliefert wird. 66 angebracht ist und mit Erregerstrom von einer

Eine Reflexion von der Belastung wird jedoch in 50 Quelle 73 über einen Rheostat 74 versorgt wird. Um die dem Vierdrahtsystem in eine sich im Uhrzeigersinn folgende Erklärung zu erleichtern, sind diesem Feld drehende Welle durch die Fahne 56 umgewandelt, die in der Zeichnung angegebenen Polaritäten zugewelche die Spannung zwischen den Leitern 42 und 43 ordnet, wobei der Nordpol des Feldes am linken Ende gegenüber der Spannung zwischen den Leitern 41 und der Zylinderspule 72 liegt. Deshalb sind alle Bezeich-44 um 90° verzögert. Diese sich im Uhrzeigersinn 55 nungen »im Uhrzeigersinn« und »entgegen dem Uhrdrehende Welle wird im Material des Elements 51 zeigersinn« in der positiven Richtung dieses Feldes wesentlich gedämpft, es erreicht daher nur ein ge- gesehen, d. h. von den rechten Enden der Leiter 61 ringer Teil der Welle oder nichts die linken Fort- bis 63 zu den linken Enden.
Setzungen der Leiter 41 bis 44. Ein neuartiges Merkmal der Ausführung der Fig. 4

Einen Betrieb als Differentialphasenschieber erhält 60 besteht in dem Mittel zur Erregung der zirkulär polaman, indem das Polarisierungsfeld wesentlich unter- risierten Wellen in dem aus den Leitern 61 bis 63 behalb desjenigen herabgesetzt wird, das eine ferro- stehenden Übertragungssystem. Allgemein gesagt, bemagnetische Resonanz im Element 51 hervorbringt. steht dieses Merkmal in der Erregung der drei Leiter Die durch Erregung zwischen den Brücken 57 und 58 mit 120°-Phasenverschiebung in der Weise eines Dreierzeugte, sich entgegen dem Uhrzeigersinn drehende 65 leiter-Dreiphasen-Systems. Diese Erregung erzeugt Welle wird mit einer wesentlich anderen Permeabilität ein zirkulär polarisiertes magnetisches Feld im Miterzeugt und zeigt daher eine wesentlich andere Ver- telbereich der drei Leiter, wo die drei getrennten zögerung als die durch Erregung zwischen den Brük- Felder einen gemeinsamen Raum einnehmen. Insbeken 59 und 60 erzeugte sich im Uhrzeigersinn drehende sondere werden die Leiter 61 bis 63 durch ein Spiral-Welle. 70 förmiges strahlendes Element 75 erregt, das in ein di-

elektrisches Teil 64 eingebettet ist, wobei die Spiralachse des Elements 75 parallel zu den Leitern 61 bis

63 und im wesentlichen koaxial zum Element 67 angeordnet ist. Die Spirale 75 besteht aus einer Fortsetzung des inneren Leiters 76 des koaxialen Leiters 76, 77, dessen Außenmantel 77 an eine leitende Endplatte^ des Mantels 66 angeschlossen ist. Die Spirale hat mehrere Windungen und endet nahe bei den linken Enden der Leiter 61 bis 63. Der Durchmesser der Spirale 75 ist so gewählt, daß ihr Umfang etwa eine Wellenlänge der im dielektrischen Material des Teils

64 zu leitenden Energie beträgt. Bekanntlich strahlt eine solche Spirale eine Wellenform ab, die mit axialer Strahlungsform bezeichnet wird und deren Feld in der Richtung der Spiralenachse ein Maximum ist und im wesentlichen zirkulär polarisiert ist. Der Drehsinn der abgestrahlten zirkulär polarisierten Welle ist derselbe wie der Wickelsinn der Spirale. Die Platte 78 hat die Funktion einer »Erdebene«, die für diese Strahlung notwendig ist, und soll wenigstens einen Durchmesser von einer halben Wellenlänge, gemessen im Dielektrikum, haben, wie vollständiger im Kapitel »The Helical Antenne« im Lehrbuch »Antennas« von T- D. Kraus, Mc-Graw-Hill Book Company, 1950," beschrieben ist.

Die Spirale 75 strahlt eine zirkulär polarisierte Welle ab, wobei der dielektrische Teil 64, der aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie Steatit oder Polystyrol, besteht, als sehr kurzer dielektrischer Leiter wirkt. Das zugespitzte Teil 68 ergibt dann eine Impedanzanpassung an das System, das aus den Leitern 61 bis 63 besteht. Somit wird bewirkt, daß eine Spannung zwischen den Leitern 62 und 63 entsteht, ferner 120° Phasenverschiebung zwischen den Leitern 63 und 61 und schließlich noch einmal 120° Phasenverschiebung zwischen den Leitern 61 und 62 entstehen. Die Resultierende der magnetischen Felder dieser drei Wellen an der Stelle des Elements 67 erscheint zirkulär polarisiert. Eine gleiche Anordnung aus dem zugespitzten Teil 69, dem dielekirischen Leiter 65. der Spirale 79 und dem koaxialen Leiter 80 ist nahe am rechten Ende der Leiter 61 bis 63 vorgesehen. Die Spiralen 75 und 79 haben, im Raum gesehen, denselben Wickelsinn.

Im Betrieb wird von einer Quelle Wellenenergie über die koaxiale Leitung 76-77 zur Spirale 75 geliefert. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Wickelsinn der Spirale 75 ist diese Welle entgegen dem Uhrzeigersinn zirkulär polarisiert, in der oben definierten positiven Feldrichtung betrachtet. Bei diesem Drehsinn erleidet die Welle wenig oder keine Dämpfung durch den gyromagnetischen Effekt des Elements 67, wenn es im gezeichneten Sinn und durch ein Feld genügender Stärke polarisiert ist, um eine gyromagnetische Resonanz im Material des Elements 67 zu erzeugen. Die Energie wird durch die Leiter 61 bis 63 fortgeleitet und geht zur koaxialen Leitung 80., um an eine Belastung geliefert zu werden.

In der umgekehrten Fortpflanzungsrichtung wird Wellenenergie, die an die koaxiale Leitung 80 angelegt wird, durch die Spirale 79 in eine Welle mit einem zirkulär polarisierten Feld umgewandelt, das sich, in der definierten positiven Richtung gesehen, im Uhrzeigersinn dreht. Diese Welle erleidet daher infolge der gyromagnetischen Wirkung des Elements 67 eine wesentliche Dämpfung. Man erhält also ein richtabhängiges Dämpfungsglied, das eine in einer Richtung fortschreitende Wellenenergie wesentlich und eine in der entgegengesetzten Richtung fortschreitende Wellenenergie nur wenig dämpft. Der Grad der ferromagnetischen Dämpfung ist hauptsächlich eine Funktion der Länge des gyromagnetischen Materials, das sich in der Richtung der ferromagnetischen Resonanz erstreckt, während gewisse reziproke dielektrische Verluste mit seinem Gesamtvolumen verbunden sind. Daher soll der Durchmesser des Elements 67 vorzugsweise klein sein, um seine dielektrischen Verluste in der Richtung der kleinen Dämpfung zu verringern und seine Länge parallel zu den Leitern 61 bis 63 soll, in Wellenlängen ausgedrückt, verhältnismäßig lang sein, um eine·hinreichende Dämpfung zu erhalten, damit je nach Wunsch die ganze oder ein Teil der in Richtung hoher Dämpfung laufenden Welle absorbiert wird.

Wenn auch angenommen wird, daß die beschriebene spiralförmige Erregung mehrere Vorteile hat, die ihre Verwendung als bevorzugte Ausführung empfehlen, so soll doch bemerkt werden, daß auch andere Verfahren zur Erregung der erforderlichen, um 120° phasenverschobenen Wellen an den Leitern 61 bis 63 benutzt werden können. Zum Beispiel können sie durch einen Dreiphasen-Transformator erregt werden, oder sie können von Punkten abgegriffen werden, die auf einem Verzögerungsübertragungsweg bekannter Art um 120° phasenverschoben sind.

In allen Fällen erläutern selbstverständlich die oben beschriebenen Anordnungen nur eine kleine Anzahl von vielen möglichen speziellen Ausführungen, die Anwendungen des Erfindungsprinzips darstellen können. Zahlreiche abgeänderte Anordnungen können nach diesem Prinzip leicht vom mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann vorgeschlagen werden, ohne vom Wesen und Ziel der Erfindung abzuweichen.

Claims (14)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Nicht reziprokes Schaltelement für elektromagnetische Wellen unterhalb des Mikrowellenfrequenzbereichs, bestehend aus einer Vielzahl von leitenden Elementen, die in Längsrichtung auf einem größeren Teil ihrer Länge parallel zueinander liegen und gegeneinander isoliert sind, wobei die Leiter sehr dicht beieinander liegen, so daß ein Teil des magnetischen Feldes einer unabhängigen Energiewelle, die von einer ersten aus zwei der Leiter bestehenden Übertragungsanordnung geführt wird, einen Raum einnimmt, den er mit einem Teil wenigstens einer anderen unabhängigen Energiewelle gemeinsam hat, die von einer zweiten aus zwei der Leiter bestehenden Übertragungsanorduung geführt wird und aus einem in dem gemeinsamen Raum angeordneten polarisierten Element aus gyromagnetischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die unabhängigen Energiewellen auf beiden Übertragungsanordnungen mit gleicher Frequenz, aber verschiedenen relativen Phasenwinkeln derart erregt werden, daß deren zugehörige magnetische Felder bei ihrer Überlagerung ein in dem Element aus gyromagnetischem Material entstehendes zirkulär polarisiertes magnetisches Feld erzeugen, wobei die Drehung des Feldes bei Übertragung in der einen Richtung in einem Sinn und bei Übertragung in der umgekehrten Richtung im umgekehrten Sinn stattfindet.

2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der leitenden Elemente jeder Übertragungsanordnung ein leitender Mantel ist, der allen Übertragungsanordnungen gemeinsam ist und die anderen leitenden Elemente jeder Anordnung umgibt.

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3. Schaltelement rait zwei Wellenübertragungsanordnungen nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsanordnungen von einer gemeinsamen Quelle erregt werden, die ein Mittel enthält, um die Erregung wenigstens einer der Anordnungen um 90° gegenüber der Erregung der anderen Anordnungen zu verzögern.

4. Schaltelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Welle auf der anderen Anordnung um 90·° gegenüber der Welle auf der einen Anordnung zu verzögern, und daß die Wellen beider Anordnungen an eine gemeinsame Belastung geliefert werden.

5. Schaltelement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des magnetischen Feldes derart ist, daß eine ferromagnetische Resonanz in dem gyromagnetischen Material erzeugt wird.

6. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein leitender Mantel zwei langgestreckte Leiter umgibt, daß ferner ein Spannung erregendes Mittel eine Spannung zwischen jedem der beiden Leiter und dem Mantel erregt und daß schließlich ein Verzögerungsmittel die Spannung zwischen dem einen Leiter und dem Mantel um 90° gegenüber der Spannung zwischen dem anderen Leiter und dem Mantel verzögert.

7. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen leitenden Elemente aus vier langgestreckten Leitern bestehen, die in diametral gegenüberliegenden Paaren angeordnet sind, daß ferner ein Spannung erregendes Mittel eine Spannung zwischen den Leitern jedes Paares erregt und daß schließlich ein Verzögerungsmittel die Spannung zwischen einem Leiterpaar um 90° gegenüber der Spannung zwischen dem anderen Leiterpaar verzögert.

8. Schaltelement nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungserregungsmittel aus einem verzweigten Kreis besteht, der einen mit einem der leitenden Elemente verbundenen Zweig hat, welcher langer als ein mit dem anderen leitenden Element verbundener Zweig ist.

9. Schaltelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsmittel ein in der Ebene des einen Leiterpaares liegendes dünnes Teil aus dielektrischem Material enthält, in· dem die Spannung um 90° verzögert wird.

10. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein spiralförmiger Leiter, dessen Spiralachse parallel zu den leitenden Elementen liegt, nahe an einem Ende der leitenden Elemente angeordnet ist, und daß das Element aus gyromagnetischem Material sich parallel und zentral zu den leitenden Elementen erstreckt.

11. Schaltelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein zugespitztes Teil aus dielektrischem Material eine Impedanzanpassung zwischen dem durch die leitenden Elemente definierten Fortpflanzungsweg und dem spiralförmigen Leiter herstellt.

12. Schaltelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale in das dielektrische Teil eingebettet ist und koaxial zu dem gyromagnetischen Element liegt.

13. Schaltelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter spiralförmiger Leiter nahe am anderen Ende der leitenden Elemente liegt, und daß der innere Leiter eines Paares von koaxialen Übertragungsleitungen an jedem Ende der leitenden Elemente mit der Spirale verbunden ist.

14. Schaltelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13 mit drei leitenden Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß die drei leitenden Elemente in Querrichtung am Umfang eines Kreises gleiche Abstände haben, daß ferner das gyromagnetische Element in der Mitte des Kreises liegt und daß schließlich ein Spannung erregendes Mittel eine Spannung zwischen aufeinanderfolgenden leitenden Elementen mit einer Phasendifferenz von 120° erregt.

Entgegengehaltene ältere Rechte: Deutsches Patent Nr. 938 021.

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