DE1041549B - Non-reciprocal electrical coupling device with two perpendicularly crossed windings - Google Patents
Non-reciprocal electrical coupling device with two perpendicularly crossed windingsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine nicht reziproke elektrische Kopplungsvorrichtung, bei der -die Energieübertragung in einer Richtung gleich Null ist.The invention relates to a non-reciprocal electrical coupling device in which the energy transfer is zero in one direction.
Solche Vorrichtungen finden z. B. Anwendung als Mikrowellenisolator, z. B. in einer Verbindung zwischen einem Generator und einer Belastung zwecks Beseitigung der Rückwirkung der Belastung auf den Generator. Es sind bereits mehrere Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei denen ein Körper aus vorpolarisiertem hochfrequenzmagnetischem Material, z. B. aus Ferrit, in einem Hohlleiter angeordnet ist in der Weise, daß Wellen im Hohlleiter in einer Richtung nahezu unbehindert durchgelassen und in der entgegengesetzten Richtung beträchtlich gedämpft werden. Solche Vorrichtungen sind aber für niedrigere Frequenzen, z. B. von der Größenordnung von 500 MHz, nicht verwendbar, da die Abmessungen des Hohlleiters dann unpraktisch groß werden würden.Such devices can be found e.g. B. Application as a microwave isolator, e.g. B. in a connection between a generator and a load for the purpose of eliminating the retroactive effect of the load on the generator. It Several devices of this type are already known in which a body of pre-polarized high-frequency magnetic Material, e.g. B. made of ferrite, is arranged in a waveguide in such a way that waves in the waveguide Almost unhindered in one direction and considerable in the opposite direction be dampened. Such devices are, however, for lower frequencies, e.g. B. of the order of 500 MHz, cannot be used because the dimensions of the waveguide would then become impractically large.
Es sind auch Einrichtungen zur veränderbaren Kopplung zweier Lecherleitungen bekanntgeworden, bei der zwischen den ineinandergreifenden entkoppelten Lecherleitungsstücken ein einen gyromagnetischen Effekt aufweisender Ferritkörper liegt. Abgesehen von der nicht immer verwendbaren offenen Lecherleitung würden auch in einem solchen Falle die Abmessungen des Wellenleitersystems bei niedrigen Frequenzen -relativ groß werden.There are also devices for changeable coupling two Lecher lines became known, with the one between the interlocking decoupled Lecher line pieces a ferrite body exhibiting a gyromagnetic effect lies. Apart from the not The open Lecher line that can always be used would also in such a case reduce the dimensions of the waveguide system become relatively large at low frequencies.
Ferner ist bereits eine nicht reziproke elektrische Kopplungsvorrichtung bekannt, welche zwei sich kreuzende Spulen besitzt, deren Wickelflächen senkrecht zueinander angeordnet sind und einen gemeinsamen Kern aus hochfrequenzmagnetischem Material umfassen, der in einer zur Schnittlinie der Wickelflächen parallelen Richtung vorpolarisiert ist: Eine solche Kopplungsvorrichtung wird in gewissen Fällen mit dem Namen »Gyrator« bezeichnet. Es wurde bereits vorgeschlagen, eine äußere Widerstandskopplung zwischen dem Eingang ■und dem Ausgang der Kopplungsvorrichtung anzubringen zwecks Erhöhung der Übertragung in einer Richtung. Diese Vorrichtung ist weniger geeignet für Wellen mit einer Wellenlänge von der Größenordnung von 50 cm, da die Widerstandskopplung zusätzliche Verluste einleitet und außerdem schwer einstellbar ist. Die Erfindung begegnet diesem Nachteil. Bei einer nicht reziproken elektrischen Kopplungsvorrichtung mit zwei senkrecht zueinander gekreuzten Wicklungen, welche einen gemeinsamen Kern aus Hochfrequenzmaterial umfassen, der in einer zur Schnittlinie der Wickelflächen parallelen Richtung voipolarisiert ist und wobei eine äußere elektrische Kopplung zwischen den Wicklungen vorhanden ist, hat erfindungsgemäß das vorpolarisierer.de Feld eine solche Stärke, daß bei einer bestimmten Frequenz, bei der in einer Richtung keine Energieübertragung erfolgen darf, das hochfrequenziTiagnetische Material in magnetischer Resonanz ist, und Nicht reziproke elektrischeFurthermore, a non-reciprocal electrical coupling device is already known which has two intersecting coils, the winding surfaces of which are arranged perpendicular to one another and which comprise a common core made of high-frequency magnetic material which is prepolarized in a direction parallel to the line of intersection of the winding surfaces Cases named " Gyrator". It has already been proposed to apply an external resistive coupling between the input and the output of the coupling device in order to increase the transmission in one direction. This device is less suitable for waves with a wavelength of the order of 50 cm, since the resistive coupling introduces additional losses and is also difficult to adjust. The invention overcomes this disadvantage. In a non-reciprocal electrical coupling device with two perpendicularly crossed windings, which comprise a common core of high-frequency material, which is voipolarized in a direction parallel to the line of intersection of the winding surfaces and with an external electrical coupling between the windings, according to the invention the vorpolarisierer.de Field of such strength that at a certain frequency, at which no energy transfer may take place in one direction, the high-frequency diagnostic material is in magnetic resonance, and non-reciprocal electrical
Kopplungsvorrichtung mit zwei senkrecht zueinander gekreuzten WicklungenCoupling device with two windings that are perpendicular to one another
Anmelder:Applicant:
N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)NV Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Netherlands)
Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7Representative: Dr. rer. nat. P. Roßbach, patent attorney,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7th
Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 9. November 1956Claimed priority:
Netherlands 9 November 1956
Gerrit De Vries, Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt wordenGerrit De Vries, Eindhoven (Netherlands),
has been named as the inventor
zwischen den beiden Wicklungen erfolgt die äußere Kopplung über einen reinen Blindwiderstand und hat einen solchen Wert, daß bei der erwähnten Frequenzder resultierende Kopplungsfaktor in einer Richtung (Sperrichtung) gleich Null ist.the external coupling between the two windings takes place via a pure reactance and has such a value that at the mentioned frequency the resulting coupling factor is in one direction (Reverse direction) is zero.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the drawing.
In Fig. 1 sind zwei sich senkrecht zueinander kreuzende Wicklungen 1 und 2 dargestellt, welche gegebenenfalls jeweils aus einer einzigen Windung bestehen können und einen gemeinsamen Kern 3 aus hochfrequenzmagnetischem Material, z. B. Ferrit, umfassen. Der Kern 3 ist durch nicht näher dargestellte Mittel, z. B. durch einen Elektromagnet, in zur Schnittlinie der Wickelflächen paralleler Richtung vorpolarisiert, wie es durch den Pfeil H angedeutet ist. Die Wicklungen sind an einem Ende miteinander verbunden und über eine gemeinsame Impedanz Z mit den Klemmen K2 und Ji4 der Kopplungsvorrichtung und am anderen Ende jeweilig mit den Klemmen K1 und K3 verbunden. Die Komponenten Bx und B,j der magnetischen Induktion in zwei gegenseitig senkrechten Richtungen senkrecht zur Vorpolarisation H können in den entsprechenden Komponenten Hx und Hy der magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes durch folgende Beziehungen ausgedrückt werden:In Fig. 1, two mutually perpendicular windings 1 and 2 are shown, which may optionally each consist of a single turn and a common core 3 made of high-frequency magnetic material, for. B. ferrite include. The core 3 is by means not shown in detail, for. B. by an electromagnet, prepolarized in the direction parallel to the intersection of the winding surfaces, as indicated by the arrow H. The windings are connected to one another at one end and connected via a common impedance Z to terminals K 2 and Ji 4 of the coupling device and at the other end to terminals K 1 and K 3, respectively. The components B x and B, j of the magnetic induction in two mutually perpendicular directions perpendicular to the pre-polarization H can be expressed in the corresponding components H x and H y of the magnetic field strength of the magnetic field by the following relationships:
ID χ = ID χ =
Xl χ Xl χ
HyHy
Darin stellen μχ und μ% Permeabilitäten dar, welche im allgemeinen Komplexwerte sind. Die Spannungen F1 Here, μ χ and μ % represent permeabilities, which are generally complex values. The voltages F 1
BW 659/287 BW 659/287
3 43 4
und F2 an den Klemmen K1 und K2 bzw. K3 und Ki - Setzt man die Ausgangsimpedanz Zn gleich G + jD, der Kopplungsvorrichtung können in den Strömen J1 so giltand F 2 at terminals K 1 and K 2 or K 3 and K i - If the output impedance Z n is set equal to G + jD, the coupling device can apply in the currents J 1
und J2 durch die Wicklungen 1 und 2 durch" folgende F2 = — (G + /D) J2,and J 2 through windings 1 and 2 through "following F 2 = - (G + / D) J 2 ,
Vierpolgleichungen ausgedrückt werden: so daßQuadrupole equations are expressed: so that
F1=- (Z+JCoL1)L1 + (Z-JCoM^I2 F 1 = - (Z + JCoL 1 ) L 1 + (Z-JCoM ^ I 2
F2 = (Z+Jw Ma) L1 + (Z+]Oi L2) I2. Die vom Generator GiV abgegebene Energie ist gleichF 2 = (Z + Jw M a ) L 1 + (Z + ] Oi L 2 ) I 2 . The energy delivered by the generator GiV is the same
Darin stellen L1 und L2 die Induktivitäten der Wick- R|A|2» L 1 and L 2 represent the inductances of the winding R | A | 2 »
lungen 1 und 2 dar, welche der Permeabilität μχ pro- iolungs 1 and 2, which the permeability μ χ pro io
portional sind, und Ma ist ein der Permeabilität μ2 und die von der Impedanz Zu aufgenommene Energie ist proportionaler magnetischer Kopplungsfaktor. Wenn gleichare proportional, and M a is a permeability μ 2 and the energy absorbed by the impedance Z u is a proportional magnetic coupling factor. If the same
Z — j ω Ma = 0, kann von den Ausgangsklemmen Ks, K± G | J212, Z - j ω M a = 0, can from the output terminals K s , K ± G | J 2 1 2 ,
auf die Eingangsklemmen K11K2 keine Energieübertragung
erfolgen, da in diesem Falle die Spannung F1 un- 15 so daß die Übertragungsleistung gleich
abhängig vom Ausgangsström J2 ist.No energy transfer takes place on the input terminals K 11 K 2 , since in this case the voltage F 1 un- 15 so that the transfer power is the same
depends on the output flow J 2 .
Nach einem Merkmal der Erfindung hat das vor- G|J2|2 G 4 Y2 According to one feature of the invention, the pre-G | J 2 | 2 G 4 Y 2
polarisierende Feld H einen solchen Wert, daß das . , == ~ ( . a . v _. 2 polarizing field H such a value that the. , == ~ ( . a . v _. 2
Magnetmaterial des Kernes 3 bei der Kreisfrequenz ω ^ I ^21 K (^taJ +(A + r+ΰ)Magnetic material of the core 3 at the angular frequency ω ^ I ^ 2 1 K (^ taJ + (A + r + ΰ)
in magnetischer Resonanz ist. Die Permeabilität μ2 ist 20 ist.is in magnetic resonance. The permeability μ 2 is 20.
dann reell und hat einen Höchstwert. Der Kopplungs- Wenn die Belastungsimpedanz Zu = G + jD einthen real and has a maximum value. The coupling when the load impedance Z u = G + jD a
faktor M ist dann gleichfalls reell, so daß die Kopplungs- additiver Komplex ist gegenüber der inneren Impedanz impedanz Z ein reiner Blindwiderstand sein muß. Dies R+JX + jY der Kopplungsvorrichtung, d. h. G = R bietet den Vorteil, daß die äußere Kopplung keine zu- und D = — (X + Y), so ist die Übertragungsleistung sätzlichen Verluste einleitet und leicht einstellbar ist, 25 gleichThe factor M is then also real, so that the coupling-additive complex is compared to the internal impedance impedance Z must be a pure reactance. This R + JX + jY of the coupling device, ie G = R, offers the advantage that the external coupling does not add any and D = - (X + Y), so the transmission power introduces additional losses and is easily adjustable, 25 the same
was insbesondere bei höheren Betriebsfrequenzen wichtig ' γζ which is particularly important at higher operating frequencies' γζ
ist, da bei einer ohmschen oder komplexen äußeren ~m' is, because with an ohmic or complex external ~ m '
Kopplung eine Änderung der ohmschen Komponente
auch eine Änderung der Bündkomponente, herbeiführenCoupling a change in the ohmic component
also bring about a change in the alliance component
würde, und umgekehrt. Verbindet man die Eingangs- 30 Dann ist Y proportional zur Permeabilität μ2, und R Memmen K1, K2 mit einem Generator GN und die ist proportional zur Permeabilität μχ, und bei ferro-Ausgangsklemmenif3,i?4mit einerBelastungsimpedanzZa) magnetischer Resonanz des magnetischen Materials so ist die Belastung des Generators durch die Kopplungs- werden die Absolutwerte von μχ und μ2 etwa einander vorrichtung also gleich Z + j ω L1, und zwar unab- gleich, so daß auch Y etwa gleich R und somit die hängig von der Größe der Belastungsimpedanz Zn. 35 Übertragungsleistung gleich 1 ist.would, and vice versa. If you connect the input 30 then Y is proportional to the permeability μ 2 , and R Memmen K 1 , K 2 with a generator GN and this is proportional to the permeability μ χ , and with ferro output terminals if 3 , i? 4 with a load impedance Z a) magnetic resonance of the magnetic material then the load on the generator due to the coupling device is the absolute values of μ χ and μ 2 roughly equal to each other, i.e. equal to Z + j ω L 1 , and indeed not equal, so that also Y is approximately equal to R and thus depends on the size of the load impedance Z n . 35 transmission power equals 1.
Der Kopplungsfaktor für die Energieübertragung in Theoretisch kann dies auch wie folgt erklärt werden:The coupling factor for energy transfer in theory can also be explained as follows:
der Durchlaßrichtung, d. h. von den Eingangsklemmen Wenn nur eine der Wicklungen von einem Hochfrequenz-Ji1, Ji2 auf die Ausgangsklemmen K3, Kt, ist gleich wechselstrom durchlaufen wird, tritt eine starke Polari- Z + jco Ma — 2 jω Ma. Dieser Kopplungsfaktor ist sation des Magnetmaterials auf, was mit großen magneverhältnismäßig groß, da die Permeabilität μ2, welcher 40 tischen Verlusten einhergeht. Wenn aber Zn ein additiver der Faktor Ma proportional ist, bei fenomagnetischer Komplex gegenüber der inneren Impedanz ist, so folgt Resonanz maximal ist. Die Permeabilität μτ ist dann aus der obenerwähnten Beziehung zwischen J1 und J2 aber gleichfalls maximal, und zwar annähernd imaginär, und unter Berücksichtigung des Umstandes, daß bei und im Absolutwert gleich der Permeabilität μ2, so daß Resonanz gilt Y=R, daß J1 = j J2. Dies bedeutet, die Glieder j ω L1 und j co L2, die bei einer symmetrischen 45 daß die Wicklungen von Strömen durchflossen werden, Ausbildung der Kopplungsvorrichtung einander gleich deren Absolutwerte gleich sind und deren Phasensind, in folgender Form geschrieben werden können: unterschied 90° beträgt. Hierdurch wird ein magnetischesthe forward direction, ie from the input terminals. If only one of the windings from a high-frequency Ji 1 , Ji 2 to the output terminals K 3 , K t , is alternating current, a strong polarity occurs. Z + jco M a - 2 jω M a . This coupling factor is sation of the magnetic material, which is relatively large with large magnets, since the permeability μ 2 , which is associated with 40 table losses. But if Z n is an additive factor M a is proportional to, in a fenomagnetic complex with respect to the internal impedance, then resonance is maximal. From the above-mentioned relationship between J 1 and J 2, however, the permeability μ τ is also maximal, and in fact approximately imaginary, and taking into account the fact that at and in the absolute value is equal to the permeability μ 2 , so that resonance applies Y = R, that J 1 = j J 2 . This means that the terms j ω L 1 and j co L 2 , which in the case of a symmetrical 45 that currents flow through the windings, formation of the coupling device whose absolute values are the same and whose phases are equal, can be written in the following form: difference 90 ° is. This creates a magnetic
Drehfeld erzeugt, das zur Präzessionsrichtung derRotating field generated that corresponds to the direction of precession of the
JmL = R+JX, Elektronenspinne im Magnetmaterial entgegengesetzt JmL = R + JX, opposite electron spider in the magnetic material
50 gerichtet ist; mit anderen Worten, die beiden Ströme50 is directed; in other words, the two streams
wobei die ohmsche Komponente R groß ist gegenüber wirken einander entgegen hinsichtlich der Auswirkung der reaktiven Komponente R. Setzt man die Kopplungs- auf die Präzession, so daß die magnetischen Verluste impedanz Z = j ω Ma gleich jY, so können die Vierpol- gering sind. Die wirksame magnetische Kopplung gleichungen bei symmetrischer Ausbildung in folgender zwischen den Wicklungen ist in der Durchlaßrichtung Form geschrieben werden: 55 somit praktisch gleich Null, so daß nur die äußerewhere the ohmic component R is large, opposed to each other with regard to the effect of the reactive component R. If the coupling is set to the precession so that the magnetic loss impedance Z = jω M a equal to jY, the quadrupole can be small . The effective magnetic coupling equations with symmetrical training in the following between the windings is to be written in the forward direction form: 55 thus practically zero, so that only the outer
Kopplung über die Impedanz Z wirksam ist, die aberCoupling across the impedance Z is effective, but that
F1 = (R + jX + jY) L1 keine Verluste einleitet wegen der Abwesenheit einerF 1 = (R + jX + jY) L 1 does not introduce losses because of the absence of one
F2 = 2jY L1 + (R +jX +jY) I2- Widerstandskomponente in der Impedanz.F 2 = 2jY L 1 + (R + jX + jY) I 2 - resistance component in the impedance.
Eine geeignete Ausführungsform der Kopplungs-A suitable embodiment of the coupling
Die innere Impedanz sowohl der Eingangsseite als 60 vorrichtung nach der Erfindung ist in den Fig. 2 und 3
auch der Ausgangsseite der Kopplungsvorrichtung ent- dargestellt, von denen
hält also die große Verlustkomponente R. Bei einer be- Fig. 2 eine Draufsicht undThe internal impedance of both the input side and the device according to the invention is shown in FIGS. 2 and 3 as well as the output side of the coupling device, of which
thus holds the large loss component R. In a case of FIG. 2 a plan view and
stimmten Wahl der Ausgangsimpedanz Zn ist aber trotz Fig. 3 eine Vorderansicht ist.A correct choice of the output impedance Z n is but despite FIG. 3 is a front view.
dieses Umstandes die Ubertragungsleistung überraschen- Diese Ausführungsform besitzt zwei sich senkrechtthis circumstance surprise the transmission power- This embodiment has two perpendicular
derweise sehr hoch und nähert sich theoretisch sogar 65 zueinander kreuzende Leiter 1 und 2, welche um den 100%. Es wurde experimentell festgestellt, daß bei einer Kern 3 aus Hochfrequenzmaterial herumgebogen und Kopplungsvorrichtung nach der Erfindung die Dämpfung an einem Ende mit einer stromleitenden Grundplatte 4 in der Durchlaßrichtung von der Größenordnung von verbunden sind. Die Leiter 1 und 2 sind am anderen nur 1 db sein kann, wobei also auch die dielektrischen Ende mit den Innenleitern der konzentrischen Leitungen 5 Verluste u. dgl. eine Rolle spielen. 70 und 6 verbunden, deren Außenleiter mit der Grund-so very high and theoretically even approaches 65 mutually crossing conductors 1 and 2, which around the 100%. It has been experimentally found that a core 3 made of high frequency material is bent around and Coupling device according to the invention, the damping at one end with an electrically conductive base plate 4 are connected in the forward direction of the order of magnitude. Ladders 1 and 2 are on the other can only be 1 db, with the dielectric end with the inner conductors of the concentric lines 5 Losses and the like play a role. 70 and 6, whose outer conductor is connected to the basic
platte 4 gekoppelt sind (Fig. 2). Die Leiter 1 und 2 bilden je mit der Grundplatte 4 eine unsymmetrische Lecherleitung. Der Kern 3 ist wieder durch nicht •dargestellte Mittel in axialer Richtung mit einem Feld H vorpolarisiert, welche das Ferromagnetmaterial bei der Betriebsfrequenz in magnetische Resonanz bringt. Die Punkte α und δ auf den Leitern 1 und 2 sind durch einen Kopplungsleiter 7 miteinander verbunden, dessen Mitte 8 durch den Leiter 9 mit der Grundplatte 4 verbunden ist (Fig. 3). Die Leiter 7 und 9 verhalten sich wie Induktivitäten bei den hohen Frequenzen, für welche die Vorrichtung bestimmt ist. Durch Regelung der Länge des Leiters 9 kann die Größe der äußeren Kopplung zwischen den Leitern 1 und 2 geändert und auf einen solchen Wert eingestellt werden, daß die Gesamtkopplung .zwischen dem Leiter 5 und dem Leiter 6 in einer Richtung beseitigt ist.plate 4 are coupled (Fig. 2). The conductors 1 and 2 each form an asymmetrical Lecher line with the base plate 4. The core 3 is again pre-polarized by means not shown in the axial direction with a field H which brings the ferromagnetic material into magnetic resonance at the operating frequency. The points α and δ on the conductors 1 and 2 are connected to one another by a coupling conductor 7, the center 8 of which is connected to the base plate 4 by the conductor 9 (FIG. 3). The conductors 7 and 9 behave like inductors at the high frequencies for which the device is intended. By regulating the length of the conductor 9, the size of the external coupling between the conductors 1 and 2 can be changed and set to such a value that the overall coupling between the conductor 5 and the conductor 6 in one direction is eliminated.
Claims (2)
Deutsche Patentschrift Nr. 938021. Considered publications:
German patent specification No. 938021.
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