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Magnetisch veränderbarer" für koaxiale Leitungen °' Die Erfindung
betrifft ein einstellbares reziprokes Dämpfungsglied für die koaxiale Leitungstechnik,
bestehend aus einem koaxialen Leitungsabschnitt und einem Hohlzylinder aus magnetisch
weichem Ferrit, der zwischen Innen- und Außenleiter konzentrisch mit ihnen angeordnet
ist und dessen Vormagnetisierung einstellbar ist, wobei die koaxiale Leitung so
ausgebildet ist, daß sich in dieser nur die elementare TEM-Welle (Doppelleitungswelle)
ausbreiten kann. Erfindungsgemäß verläuft das Vormagnetisierungsfeld längs des kreisförmigen
Umfanges des Ferritzylinders. Ein wesentlicher Vorteil dieses Dämpfungsgliedes besteht
darin, daß es auch noch mit sehr hohen Steuerfrequenzen arbeitet.
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Bei der Konstruktion koaxialer Bauelemente mit Ferriten hat man zwei
Schwierigkeiten zu überwinden. Da nichtreziproke Effekte mit TEM-Wellen nicht zu
erzielen sind, muß man eine geeignete Leitungsform wählen, die eine zirkular polarisierte
Komponente des HF-Feldes sicherstellt. Das geschieht z. B. durch Wendeln des Innenleiters
oder dadurch, daß sich das Ferrit nicht auf den ganzen Umfang des koaxialen Leiters
erstreckt. Die zweite Schwierigkeit ist eine reine Materialfrage. Die Linienbreite
der ferromagnetischen Resonanz und die Nullpunktsverluste bestimmen die untere Frequenzgrenze,
die heute für kommerzielle Resonanzrichtleiter bei 3000 MHz liegt.
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Das erste Problem ist hier nicht von Bedeutung, da das erfindungsgemäße
Dämpfungsglied reziprok ist und mit TEM-Wellen arbeitet, also mit Doppelleitungswellen,
die keine Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung haben. Als Leitung wird eine Doppelleitung
in koaxialer Ausführung angewendet. Die Materialschwierigkeiten werden dadurch überwunden,
daß die nicht zu vermeidenden Nullpunktsverluste zur Erzielung des gewünschten Dämpfungseffektes
ausgenutzt werden.
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Unter den Nullpunktsverlusten werden diejenigen magnetischen Verluste
verstanden, die das Ferrit ohne magnetisierendes Feld besitzt. Sie können erhebliche
Werte annehmen und kommen so zustande, daß einzelne Elektronenspins zusammen mit
dem an ihrem Ort herrschenden inneren Feld bei der Betriebsfrequenz die Resonanzbedingung
der ferrromagnetischen Resonanz erfüllen. Bei magnetisch weichen Ferriten kann man
diese Verluste bereits mit kleinen äußeren Feldern stark reduzieren und bei Sättigung
des Materials ganz zum Verschwinden bringen. Bei weiterer Steigerung der Feldstärke
treten erneut Absorptionsverluste auf, wenn Betriebsfrequenz und außen angelegte
Feldstärke die Bedingung der ferromagnetischen Resonanz erfüllen.
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Bei allen bisherigen Ferritanordnungen strebt man Materialien kleiner
Nullpunktsverluste an und vermeidet zudem ihren Bereich durch genügend große äußere
Felder, wobei man in oder in der Umgebung der ferromagnetischen Resonanz arbeitet.
Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Dämpfungsglied vorteilhaft ein Ferrit
hoher Nullpunktsverluste verwendet und die beim Feld Null vorhandene Dämpfung durch
ein kleines äußeres Feld schrittweise verringert. Ein derartiger Abschwächer umgeht
die oben skizzierte Problematik der unteren Frequenzgrenze, die jedenfalls nicht
durch Materialfragen bestimmt wird.
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Bei den bisherigen Ferritanordnungen liegt das magnetisierende Gleichfeld
senkrecht zum hochfrequenten Magnetfeld der geführten Welle. Im Sättigungszustand
wird durch die Ausrichtung der Elektronen.spins in die zum magnetischen HF-Feld
senkrechte Richtung die größtmögliche Wechselwirkung zwischen diesem und der die
Materialeigenschaften bestimmenden Spinbewegung erreicht. Demgegenüber wird bei
dem erfindungsgemäßen Dämpfungsglied das magnetisierende Feld parallel zum magnetischen
HF-Feld gewählt, so daß im Sättigungszustand die Elektronenspins parallel zu dieser
Richtung liegen und eine Wechselwirkung mit dem HF-Feld nicht möglich ist. Demzufolge
sind im Sättigungszustand auch die magnetischen Verluste Null, und ferromagnetisch,e
Resonanz und die damit verbundenen Absorptionsverluste können nicht eintreten.
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Die in der Praxis meistverwendete Doppelleitung ist die Koaxialleitung.
Die magnetischen Feldlinien haben in diesem Fall die Gestalt konzentrischer Kreise
um den Innenleiter. Das Ferrit hat die Form eines zylindrischen Rohres zwischen
Innen- und Außenleiter
rind wird entgegen ähnlichen Konfigurationen
nicht longitudinal, sondern gemäß dem kennzeichnenden Merkmal der Erfindung circumferential,
d. h. längs seines Umfanges, magnetisiert. Ein großer Vorzug dieser Struktur besteht
darin, daß wegen des geschlossenen magnetischen Weges der Entmagnetisierungsfaktor
Null ist und man daher mit sehr kleinen magnetisierenden Feldern auskommt. Die beschriebene
Anordnung ist deshalb ideal geeignet für Schalter und `;Iodulatoren bis herauf zu
sehr hohen Steuerfrequenzen, wo sonst die Erzeugung des magnetisierenden Steuerfeldes
in der erforderlichen Stärke auf erhebliche Schwierigkeiten führt.
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Die circumfereiitiale Magnetisierung des Ferritzylinders ist hier
denkbar einfach. Sie kann entweder direkt über den Innenleiter der koaxialen Leitung
erfolgen oder durch eine oder mehrere auf den magnetischen Körper aufgebrachte Drahtwindungen.
Da der Magnetisierungszustand die Dämpfung der Welle bestimmt, kann diese- durch
den Magnetisierungsstrom eingestellt werden. Mit periodisch veränderbarem Strom
wird die Anordnung zum Modulator oder Schalter. Insbesondere kann der jeweilige
Arbeitspunkt durch ein zusätzliches circumferentiales Gleichfeld geeignet festgelegt
werden.
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Das Feld der TEi1-1-Welle in der koaxialen Leitung hat seine größte
Konzentration unmittelbar am Innenleiter und nimmt zum Außenleiter hin umgekehrt
proportional mit dem radialen Abstand vom Zentrum ab. Zur Erzielung großer Anfangsdämpfung
pro Längeneinheit und guter elektrischer Anpassung kann man daher z. B. dünne zylindrische,
auf den Innenleiter passende Ferritrohre verwenden. Man kann aber auch den zwischen
Innen- und Außenleiter verbleibenden Raum ganz ausfüllen und die elektrische Anpassung
durch geeignete dielektrische oder metallische Übergangsstücke an beiden Enden des
Ferritzylinders bewerkstelligen, z. B. durch Hohlzylinder geeigneter Länge, Dicke
und Dielektrizitätskonstante oder durch Kegelstümpfe geeigneter Länge, die etwa
dieselbe Dielektrizitätskonstante haben wie das Ferrit und einen graduellen Übergang
vom Durchmesser des Ferritzylinders auf den des Innenleiters der Koaxialleitung
ergeben. Anpassung über einen größeren Frequenzbereich kann auch dadurch erzielt
werden, daß man den Ferritzylinder ersetzt durch eine entsprechende Anzahl von Ferritringen
gleicher magnetischer Wirksamkeit. Diese können eventuell verschiedene Durchmesser
haben und sind längs der Leitung konzentrisch mit dieser und in definierten Abständen
voneinander angeordnet. Die entstehenden Zwischenräume können frei bleiben oder
geeignet dimensionierte dielektrische oder metallische Zwischenringe erhalten, so
daß die bekannte Struktur eines koaxialen Filters entsteht.
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Das beschriebene reziproke Dämpfungsglied in Koaxialbauweise arbeitet
mit TEM-Wellen. Das Auftreten von Hohlleiterwellen kann bei gegebener höchster Betriebsfrequenz
ohne Schwierigkeiten durch richtige Dimensionierung der Durchmesser von Innen-und
Außenleiter der Koaxialleitung vermieden werden, wobei der relativ hohen Dielektrizitätskonstante
des Ferrites Rechnung zu tragen ist.