DE1038623B - Directional damping line, consisting of a waveguide with a strip-shaped damping element - Google Patents

Directional damping line, consisting of a waveguide with a strip-shaped damping element

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DE1038623B
DE1038623B DET14619A DET0014619A DE1038623B DE 1038623 B DE1038623 B DE 1038623B DE T14619 A DET14619 A DE T14619A DE T0014619 A DET0014619 A DE T0014619A DE 1038623 B DE1038623 B DE 1038623B
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/32Non-reciprocal transmission devices
    • H01P1/36Isolators
    • H01P1/365Resonance absorption isolators

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  • Soft Magnetic Materials (AREA)
  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Kompensation des Temperaturganges von richtungsabhängigen Dämpfungsanordnungen für das Mikrowellengebiet.The invention is concerned with the compensation of the temperature response of direction-dependent damping arrangements for the microwave area.

Zur Erzielung eines richtungsabhängigen Dämpfungseffektes bei Mikrowellen bringt man in bekarinter Weise in einem Hohlleiter plattenförmige Ferrite an und setzt diese einem transversalen magnetischen Gleichfeld aus, das senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Wellen im Hohlleiter gerichtet ist. Wird die Feldstärke des Gleichfeldes so gewählt, daß gyromagnetische Resonanz eintritt, so wird eine elektromagnetische Welle in der einen Fortpflanzungsrichtung maximal — z. B. um 20 db ■—■ und in der entgegengesetzten Fortpflanzungsrichtung minimal — z. B. um 0,5 db — gedämpft. Die hierbei absorbierte Energie der Hohlleiterwelle wird dabei im Ferrit selbst in Wärme umgesetzt. Der Vorgang der gyromagnetischen Resonanz in ferromagnetischen Stoffen kann durch die magnetischen Effekte der Präzession von Elektronen mit Spin um die Richtung eines angelegten magnetischen Feldes erklärt werden. Bekanntlich weisen die Ferrite meist einen erheblichen Temperaturgang auf, d. h. die gyromagnetische Resonanzbedingung ω = γH1 ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur. Hierbei bedeutet ω die Kreisfrequenz, γ das gyromagnetische Verhältnis (magnetisches Moment des Elektronenspins geteilt durch Kreismoment) und H{ die statische Magnetfeldstärke. Diese Erscheinung weist insbesondere solche Ferrite auf, die für den unteren Teil des Mikrowellengeibietes geeignet sind, also für Frequenzen bis zu 4000 MHz. Für solche Ferrite verwendet man Materialien mit einem verhältnismäßig niedrigen Curiepunkt, um ein möglichst großes Vorwärts-Rückwärts-Dämpfungsverhältnis zu erreichen.To achieve a direction-dependent damping effect in microwaves, plate-shaped ferrites are placed in a waveguide in a well-known manner and exposed to a transverse magnetic constant field that is perpendicular to the direction of propagation of the electromagnetic waves in the waveguide. If the field strength of the constant field is chosen so that gyromagnetic resonance occurs, an electromagnetic wave is maximal in one direction of propagation - z. B. by 20 db ■ - ■ and minimal in the opposite direction of propagation - z. B. by 0.5 db - attenuated. The energy absorbed by the waveguide shaft is converted into heat in the ferrite itself. The process of gyromagnetic resonance in ferromagnetic materials can be explained by the magnetic effects of the precession of electrons with spin around the direction of an applied magnetic field. It is well known that ferrites usually have a considerable temperature drift , ie the gyromagnetic resonance condition ω = γH 1 changes as a function of the temperature. Here, ω means the angular frequency, γ the gyromagnetic ratio (magnetic moment of the electron spin divided by the circular moment) and H { the static magnetic field strength. This phenomenon shows in particular those ferrites that are suitable for the lower part of the microwave region, that is for frequencies up to 4000 MHz. Materials with a relatively low Curie point are used for such ferrites in order to achieve the greatest possible forward-backward damping ratio.

Zur Beseitigung der Temperaturabhängigkeit kann man bei Verwendung dieser Ferrite dem magnetischen Gleichfeld ebenfalls einen Temperaturgang derart geben, daß dieser die Temperaturabhängigkeit der Ferrite gerade kompensiert.To eliminate the temperature dependency one can use the magnetic ferrites Constant field also give a temperature response in such a way that this is the temperature dependence of the Ferrite just compensated.

Solche Temperaturkompensationen sind bekannt. Sie beruhen darauf, daß man zu den weitgehend temperaturkonstanten Permanentmagneten ein temperaturabhängiges ferromagnetisches Material in geeigneter Weise parallel oder in Serie schaltet. Auf diese Weise wird die Feldstärke des Gleichfeldes durch Einbau eines oder mehrerer temperaturabhängiger Widerstände geregelt. Diese Kompensationsanordnungen sind jedoch sehr aufwendig und daher kostspielig.Such temperature compensations are known. They are based on the fact that one to the largely temperature constants Permanent magnets a temperature-dependent ferromagnetic material in suitable Way connected in parallel or in series. In this way, the field strength of the constant field is built in one or more temperature-dependent resistors regulated. These compensation arrangements however, they are very complex and therefore expensive.

Bei Versuchen zeigte es sich nun, daß diese äußerst komplizierten bekannten Kompensationsanordnungen nicht nötig sind, um den Temperaturgang des Dämpfungsgliedes zu kompensieren, wenn man das Dämpfungsglied gemäß der Erfindung ausführt.Tests have now shown that these extremely complicated known compensation arrangements are not necessary to compensate for the temperature drift of the attenuator if you use the attenuator performs according to the invention.

Richtungsabhängige Dämpfungsleitung,Directional damping line,

bestehend aus einem Hohlleiter
mit streifenförmigem Dämpfungsglied
consisting of a waveguide
with strip-shaped attenuator

Anmelder:Applicant:

Telefunken G. m. b. H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71
Telefunken G. mb H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71

Dipl.-Phys. Rudolf Steinhart, Backnang (Württ),
ist als Erfinder genannt worden
Dipl.-Phys. Rudolf Steinhart, Backnang (Württ),
has been named as the inventor

In einer richtungsabhängigen Dämpfungsleitung, die aus einem Hohlleiter besteht, in dem ein streifenförmiges Dämpfungsglied oder streifenförmig« Dämpfungsglieder (Ferritstreifen) angebracht sind, liegt ein quer zur Fortpflanzungsrichtung der Wellen verlaufendes statisches Magnetfeld an, geeignet zur Erzeugung gyromagnetischer Resonanz in diesen Dämpfungsgliedern. Das Seitenverhältnis dieses Streifens oder dieser Streifen wird erfindungsgemäß so gewählt, daß eine Kompensation des Temperaturganges der gyromagnetischen Resonanz eintritt.In a direction-dependent attenuation line, which consists of a waveguide in which a strip-shaped Attenuator or strip-shaped «attenuator (Ferrite strips) are attached, there is a transverse to the direction of propagation of the waves static magnetic field, suitable for generating gyromagnetic resonance in these attenuators. The aspect ratio of this strip or these strips is selected according to the invention so that that a compensation of the temperature response of the gyromagnetic resonance occurs.

Der Gegenstand der Erfindung soll in einer beispielhaften Ausführungsform an Hand der Figur näher erläutert werden.The subject matter of the invention is intended in an exemplary embodiment with reference to the figure are explained in more detail.

In einem Hohlleiter 1 ist ein Ferritstreifen 3 als richtungsabhängiges Dämpfungsglied angebracht. Ein Magnetsystem 2 erzeugt ein Gleichfeld zur Erzeugung deir gyromagnetischen Resonanz in diesem Ferritstreifen 3. Die Feldstärke Ha dieses Feldes verläuft senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung elektromagnetischer Wellen, die den rechteckigen Hohlleiter durchlaufen. Der Ferritstreifen 3 besitzt im Ausführungsbeispiel ebenfalls rechteckförmigen Querschnitt. Die Streifenhöhe ist mit h und die Dicke des Streifens mit d bezeichnet.In a waveguide 1, a ferrite strip 3 is attached as a direction-dependent attenuator. A magnet system 2 generates a constant field for generating deir gyromagnetic resonance in this ferrite strip 3. The field strength H a of this field runs perpendicular to the direction of propagation of electromagnetic waves that pass through the rectangular waveguide. The ferrite strip 3 also has a rectangular cross-section in the exemplary embodiment. The strip height is designated by h and the thickness of the strip by d .

Die Erprobung einer solchen Anordnung ergab nun, daß überraschenderweise eine Temperaturkompensation des gyromagnetischen Effektes auftritt, wenn das Verhältnis von Höhe h und Dicke d des relativ langen Ferritstreifens 3 einen ganz bestimmten Wert hatte. Hierbei wurde keine der bekannten Kompensationsschaltungen angewandt, d. h. eine Selbstkompensation ist bei ganz bestimmter Formgebung des Ferritstreifens möglich.The testing of such an arrangement has now shown that, surprisingly, a temperature compensation of the gyromagnetic effect occurs when the ratio of height h and thickness d of the relatively long ferrite strip 3 had a very specific value. None of the known compensation circuits were used here, ie self-compensation is possible with a very specific shape of the ferrite strip.

Nachfolgend wird für dieses unerwartete Verhalten eine Erklärung gegeben. In der Figur ist der Mittel-An explanation for this unexpected behavior is given below. In the figure, the middle

809 637/359809 637/359

punkt der Querschnittsfläche des Streifens 3 als Ausgangspunkt eines Koordinatensystems dargestellt, dessen Achsen mit Nx, Ny und N2 bezeichnet sind und welche die Richtung der Demagnetisierungsfaktoren des Ferritstreifens gemäß seinen geometrischen Abmessungen darstellen sollen.point of the cross-sectional area of the strip 3 as the starting point of a coordinate system whose axes are denoted by N x , N y and N 2 and which are intended to represent the direction of the demagnetization factors of the ferrite strip according to its geometric dimensions.

Die Resonanzfrequenz läßt sich nach Ersatz der Ferritplatte durch ein Ellipsoid mit denselben Halbachsen unter Berücksichtigung der Demagnetisierungsfaktoren nach der bekannten Gleichung von Kittel bestimmen:The resonance frequency can be changed after replacing the ferrite plate by an ellipsoid with the same semi-axes taking into account the demagnetization factors according to the well-known Kittel equation determine:

Nx = 4π N x = 4π

h + dh + d

= 4π= 4π

h + dh + d

ω = γ \ (Ha + ω = γ \ (H a +

ρ-1ρ-1

4nMs)(Ha-4nM s ) (H a -

«5 M3
Führt man die Differentation aus, so erhält man
«5 M 3
If one carries out the differentiation, one obtains

Ηα(9-2)=2^-4πΜ3 Η α (9-2) = 2 ^ -4πΜ 3

(4)(4)

Gleichung (4) in Gleichung (1) eingesetzt und umgeformt ergibtEquation (4) is inserted into equation (1) and transformed

bedingten Änderungen der Sättigungsmagnetisierung Ms unabhängig. Unter den gemachten Voraussetzungen läßt sich demnach die für die Temperaturkompensation erforderliche Dimensionierung mit hinreichender Genauigkeit abschätzen.conditional changes in the saturation magnetization M s independently. Given the assumptions made, the dimensioning required for temperature compensation can accordingly be estimated with sufficient accuracy.

.Besitzt beispielsweise ein Ferrit, der zur Erzielung der gyromagnetischen Resonanz bei einer Frequenz von 4000 MHz verwendet wird, eine Sättigungsmagnetisierung von Ms =-^ · 2000 Gauß, dann ist nach Gleichung (6) bei einem angenommenenIf, for example, a ferrite, which is used to achieve the gyromagnetic resonance at a frequency of 4000 MHz, has a saturation magnetization of M s = - ^ · 2000 Gauss, then according to equation (6) a

ω = 71/ Wa + (Nx - Nz) M3] [Ha + (N, - NZ)MS] (1)ω = 71 / Wa + (N x - N z ) M 3 ] [H a + (N, - N Z ) M S ] (1)

Hierbei bedeutet ω die Kreisfrequenz, Nx, Ny, N2 die Demagnetisierungsfaktoren, Ha die von außen angelegte Gleichfeldstärke, γ das gyromagnetische Verhältnis, Ms die Sättigungsmagnetisierung.Here, ω denotes the angular frequency, N x , N y , N 2 the demagnetization factors, H a the externally applied DC field strength, γ the gyromagnetic ratio, M s the saturation magnetization.

Entsprechend der praktischen Anwendung wird die Ausdehnung des Ferritstreifens in 3'-Richtung als sehr groß gegen die Abmessungein in der x- und ^-Richtung angenommen. Damit wird Nyf^Q. Mit dieser Näherung folgt aus der in der Zeitschrift »Physical Review«, Juni 1945, angegebenen Beziehung für die Demagnetisierungsfaktoren (vgl. S. 352, Gleichung 2.14 bis 2.16):According to the practical application, the expansion of the ferrite strip in the 3 ' direction is assumed to be very large compared to the dimension in in the x and ^ directions. This means that N y f ^ Q. With this approximation, it follows from the relationship for the demagnetization factors given in the journal Physical Review, June 1945 (see p. 352, equations 2.14 to 2.16):

(2)(2)

Schreibt man zur Vereinfachung für -j- =ρ undTo simplify matters, one writes for -j- = ρ and

setzt die so umgeformten Werte für Nx und N2 in Gleichung (1) ein, so erhält manif the transformed values for N x and N 2 are inserted into equation (1), one obtains

3535

Es wird nun gefordert, daß in der Gleichung (3) die Resonanzfrequenz ω bei Temperaturänderung konstant bleibt. Wie bereits erwähnt, ist das äußere Feld praktisch temperaturunabhängig, und dasselbe gilt natürlich auch für die Demagnetisierungsfaktoren und damit auch für das Verhältnis ρ. Die Sättigungsmagnetisierung Ms ist jedoch bei ferromagnetisehen Stoffen stark temperaturabhängig. Die genannte Forderung lautet also:It is now required that the resonance frequency ω in equation (3) remains constant when the temperature changes. As already mentioned, the external field is practically independent of temperature, and the same naturally also applies to the demagnetization factors and thus also to the ratio ρ. However, the saturation magnetization M s is strongly temperature-dependent in the case of ferromagnetic substances. The stated requirement is therefore:

4545

(5)(5)

Die Temperaturkompensation findet dann statt, wenn die Gleichung (4) und die Gleichung (5) gleichzeitig erfüllt ist. Es wird also (4) in (5) unter Eliminierung von Ha eingesetzt. Man erhält dannThe temperature compensation takes place when equation (4) and equation (5) are satisfied at the same time. So (4) is used in (5) with the elimination of H a . You then get

ρ y Q — 1
(ρ + ΙΗρ
wobei zur Abkürzung
ρ y Q - 1
(ρ + ΙΗρ
where for abbreviation

(6)(6)

gesetzt ist.is set.

Sofern also das Verhältnis g = -^-der Gleichung (6) genügt, ist die Resonanzfrequenz ω von temperatur-7/νοη2π·2,8 =2π·2,8·1ι
Oe
If the ratio g = - ^ - of equation (6) is sufficient, the resonance frequency ω of temperature 7 / νοη2π · 2.8 = 2π · 2.8 · 1ι
Oe

ft) 2π·4000- ΙΟ5 ft) 2π 4000- ΙΟ 5

-sec-sec

- -ΙΟ-" = 0,715- -ΙΟ- "= 0.715

γ4π Ms 2π· 2,8 · 2000 γ4π M s 2π x 2.8 x 2000

Aus Gleichung (6) folgt dann für das Seitenverhältnis ρ = 3,88. Durch Einsetzen dieses Wertes in Gleichung (3), (4) oder (5) ergibt sich dann eine Resonanzfeldstärke von Ha = 1250 Oe.From equation (6) then follows for the aspect ratio ρ = 3.88. Inserting this value into equation (3), (4) or (5) then results in a resonance field strength of H a = 1250 Oe.

Wie man aus Gleichung (6) entnehmen kann, ergibt sich jeweils genau eine reelle Lösung für ρ, welche allerdings stets im Bereich ρ>2 liegt, was bedeutet, daß diese einfache Temperaturkompensation für Isolatoren des sogenannten Ε-Typs (hierbei ist die Breitseite des Ferritstreifens parallel zum elektrischen Vektor der H10-WeIIe angeordnet) möglich ist.As can be seen from equation (6), there is exactly one real solution for ρ, which, however, is always in the range ρ> 2, which means that this simple temperature compensation for insulators of the so-called Ε-type (here the broad side of the Ferrite strip arranged parallel to the electrical vector of the H 10 -WeIIe) is possible.

Sofern das nach der Gleichung (6) berechnete Seitenverhältnis nicht dem zur Erzielung eines günstigen Dämpfungsverhältnisses notwendigen oder wünschenswerten ρ genügt, kann gemäß Gleichung (4) ein Ferrit mit geänderter Sättigungsmagnetisierung Ms verwendet werden. Die Vorteile der Erfindung liegen in diesem Fall darin, daß bei der Wahl einer geeigneten Sättigungsmagnetisierung auf den Curiepunkt des Materials, aus dem das Dämpfungsglied besteht, keine Rücksicht genommen zu werden braucht, solange es möglich ist, das äußere Gleichfeld in der notwendigen Stärke bereitzustellen.If the aspect ratio calculated according to equation (6) does not meet the ρ necessary or desirable to achieve a favorable damping ratio, a ferrite with changed saturation magnetization M s can be used according to equation (4). The advantages of the invention are in this case that, when choosing a suitable saturation magnetization, the Curie point of the material from which the attenuator is made does not have to be taken into account, as long as it is possible to provide the external constant field with the necessary strength.

Die Temperaturkompensation durch entsprechende Wahl des Seitenverhältnisses φ läßt sich natürlich auch bei Richtungsleitungen mit Dielektrikum anwenden. The temperature compensation by appropriate selection of the aspect ratio φ can of course also be used for directional lines with a dielectric.

Claims (3)

Patentansprüche.·Patent claims. 1. Richtungsabhängige Dämpfungsleitung, bestehend aus einem vorzugsweise rechteckigen Hohlleiter, in dem ein streifenförmiges Dämpfungsglied oder streifenförmige Dämpfungsglieder angeordnet sind, insbesondere Ferritstreifen, wobei ein quer zur Fortpflanzungs richtung der elektromagnetischen Wellen im Hohlleiter verlaufendes magnetisches Gleichfeld vorhanden ist, das so bemessen ist, daß gyromagnetische Resonanz in diesen Dämpfungsgliedern erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenverhältnis des Streifens oder der Streifen in solcher Weise gewählt wird, daß eine Temperaturkompensation der gyromagnetischen Resonanz eintritt.1. Direction-dependent attenuation line, consisting of a preferably rectangular one Waveguide in which a strip-shaped attenuator or strip-shaped attenuators are arranged, in particular ferrite strips, with a transverse to the direction of propagation electromagnetic waves in the waveguide there is a constant magnetic field, which is dimensioned in such a way that gyromagnetic resonance is generated in these attenuators, characterized in that the aspect ratio of the strip or strips is in such a manner it is chosen that a temperature compensation of the gyromagnetic resonance occurs. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenabmessung in Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Wellen wesentlich größer ist als die Breite und Höhe des Streifens und daß das Verhältnis (ρ) der2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the strip dimension in the direction of propagation of the electromagnetic waves is much larger than the width and height of the strip and that the ratio (ρ) of Streifenhöhe Qi) zur Streifendicke (d) folgender Gleichung genügt:Stripe height Qi) for the stripe thickness (d) the following equation is sufficient: e Ve-ie Ve-i (Q +1) (e (Q + 1) (e wobei zur Abkürzung R = —j——where for the abbreviation R = - j —— y 4t π μ. 3 y 4t π μ. 3 hierbei bedeutet ω die Kreisfrequenz, γ das gyro-here ω means the angular frequency, γ the gyro- gesetzt ist;is set; magnetische Verhältnis, Ms die Sättigungsmagnetisierung. magnetic ratio, M s the saturation magnetization. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsmagnetisierung (Mj) so gewählt ist, daß sich ein zur Temperaturkompensation geeignetes Seitenverhältnis (ρ) ergibt, das ein günstiges Dämpfungsverhältnis aufweist. 3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the saturation magnetization (Mj) is chosen so that an aspect ratio (ρ) suitable for temperature compensation results, which has a favorable damping ratio. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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