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Mischanordnung für Mikrowellen unter Verwendung eines Ferritstabes
Bekanntlich beruht der Ferromagnetismus von Materialien auf der Ausrichtung der
Spinrichtungen bestimmter Elektronen in den Atomen, aus denen sich diese Materialien
zusammensetzen. Ferner ist es bekannt, daß es bei manchen Materialien, z. B. bei
bestimmten Ferriten, bei denen es sich um Isoliermaterialien handelt, möglich ist,
die Spinrichtungen dadurch zu beeinflussen, daß man diese Materialien einem Hochfrequenzfeld
aussetzt. Genauer gesagt, wenn die Spins mit Hilfe eines statischen Magnetfeldes
im wesentlichen ausgerichtet werden und durch ein Hochfrequenzfeld unter einem rechten
Winkel aus dieser Lage herausbewegt werden, zeigen sie die Neigung, um die Richtung
des stetigen Feldes herum nach Art eines sich drehenden Kreisels zu präzedieren,
und zwar mit einer Frequenz, die sich nach den physikalischen Konstanten der Elektronen
sowie nach dem Wert des stetigen Feldes richtet, denen die Elektronen ausgesetzt
sind. Wenn man die Frequenz des Hochfrequenzfeldes gleich dieser Präzessionsgeschwindigkeit
macht, so kann der Präzessionswinkel einen großen Wert annehmen, und es findet eine
erhebliche Absorption der Hochfrequenzenergie statt.
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Man hat diesen Effekt bereits in der Praxis zu verschiedenen Zwecken
ausgenutzt. So ist es bekannt, zur Modulation von Mikrowellen ein Ferritstäbchen
in einem zylindrischen HohIraumresonator anzuordnen, und zwar an einer Stelle, wo
das magnetische Wechselfeld stark ist. Das Stäbchen trägt Spulen, mit denen ein
moduliertes magnetisches Längsfeld erzeugt werden kann. Der Hahlraumresonator ist
mit einem Hohlleiter gekoppelt, durch den die zu modulierende Hochfrequenzleitung
fließt. Bei Abstimmung des Systems auf die Hochfrequenzwelle wird die Energie teilweise
reflektiert. Durch Änderung des Spulenstromes treten Änderungen in den Verlusten
des Ferritstäbchens auf, und damit wird die Amplitude der durchlaufenden Welle mod«liert,
Die magnetischen Verluste im Ferrit sind eine Folge gyromagnetischer Resonanzerscheinungen.
Es ist weiter bekannt, Ferritstäbe in ähnlichen Anordnungen als Mikrowellendedektoren,
Frequenzmischer bzw. Mikrowellenverstärker zu verwenden.
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Die Erfindung macht ebenfalls von dieser bekannten Erscheinung Gebrauch,
um eine Mischanordnung für Mikrowellen, d. h. einen Frequenzwandler, zu schaffen.
Diese Anordnung bietet erhebliche Vorteile gegenüber den Kristallen, die für Mikrowellenempfang
normalerweise benutzt werden, Es besteht nur eine geringe Gefahr einer Überlastung
(Ausbrennens) infolge des Auftreffens großer Energiemengen, und es ergibt sich nur
eine geringe Möglichkeit der Abweichung von dem charakeristischen Gleichrichtungsgesetz,
das im Gegensatz zu demjenigen eines Kristalls ein genau quadratisches Gesetz ist.
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Nachstehend werden die physikalischen Vorgänge beschrieben, die es
ermöglichen, diese erwünschten Eigenschaften hervorzurufen. Die Magnetisierung eines
Materialkörpers ist proportional zu der gesamten Zahl der dazu beitragenden Eigendrehimpuise
der Elektronen, die man als Elementarmagnete betrachten kann, welche je Volumeinheit
vorhanden sind, sowie zu dem Kosinus des Winkels zwischen den Richtungen der Spins
und derjenigen Richtung, in welcher die Magnetisierung gemessen wird. Wenn die sich
drehenden Elektronen um ein aufgebrachtes Feld herum in einem Kegel mit dem Kegelwinkel
0 präzedieren, so wird die gemessene Magnetisierung um den Wert von cos 0 gegenüber
derjenigen Magnetisierung vermindert, die beim Fehlen der Präzession gemessen wird.
Mit anderen Worten, wenn man eine Präzession mit dem Winkel 0 hervorruft, so verringert
sich die Gesamtmagnetisierung um den Faktor (1 - cos 0). Bei kleinen Winkeln nähert
sich dieser Betrag dem Wert
stark an. Fig.1 der Zeichnungen dient zur Veranschaulichung dieses Sachverhalts.
Es ist nunmehr zu erwarten, daß der Präzessionswinkel der Amplitude der magnetischen
Komponente des Hoch frequenzfeldes proportional ist, und diese Annahme wird durch
Versuche bestätigt. Die absorbierte Energie, die HZ proportional ist, wird 02 und
der Änderung der Magnetisierung proportional sein. Eine auf diese Änderung der Magnetisierung
zurückführende FluBänderung wird somit eine Spannung an einer den Ferritkörper umgebenden
Wicklung hervorrufen. Wenn man diese Spannung verstärkt und integriert, so erhält
man eine Spannung, die stets dem magnetischen Fluß in dem Körper entspricht
und
daher der Hochfrequenzenergie- proportional ist. Diese Anordnung arbeitet bekanntlich
als vollkommener Detektor mit quadratischem Gesetz (Proceedings of the IRE, März
1958, S. 594 bis 601).
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Von den zahlreichen möglichen Ausbildungsformen ist eine in Fig. 2
dargestellt_ Hier ist der Ferritkörper 1 so angeordnet, daß er sich quer durch eine
Wellenführung2 von rechteckigem Querschnitt hindurch erstreckt, und zwar zwischen
den Polen 3 eines Magnets; auf den Ferritkörper ist eine Wicklung 4 aufgebracht,
die dazu dient, die Flußänderungen in dem Ferrit festzustellen. Die Wellenführung
2 ist mit einer beweglichen Stimwand5 versehen, so daß man den Abschluß der Wellenführung
in geeigneter Weise einstellen -kann.
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Aus der Analogie mit einem-Kristall oder einer Diode wird klar, daß
die Überlagerung von zwei Hochfrequenzsignalen unterschiedlicher Frequenz eine Ausgangsspannung
mit einer Frequenz hervorruft, die gleich dem Untdrschied zwischen den beiden Signalfrequenzen
ist. Diese Anordnung arbeitet also als Frequenzwandler oder Mischer, und sie läßt
sich in bekannter Weise als Überlagerungsempfänger benutzen.
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Da bei einem Mischer dieser Bauart im Vergleich zu Kristallmischern
bekannter Ausführung relativ große Mengen örtlicher Oszillätorenergie benötigt werden,
ist es zweckmäßig, zwei Ferritstab-Anordnungen derart in einer Art Gegentaktschaltung
zu kombinieren, daß die Ausgangsgrößen abgeglichen sind, so daß die von dem örtlichen
Oszillator stammenden Schwingungen ausgelöscht werden und nur ein vernachlässigbar
kleines Signal erzeugt wird, das dem Zwischenfrequenzverstärker zugeführt wird.
Die Verwendung eines abgeglichenen Systems ist bezüglich der Konstruktion von Kristallinischem
bekannt; hierbei erhält man eine kleine Verbesserung der Leistung selbst dann, wenn
die örtliche Oszillatorenenergie verhältnismäßig gering ist. Ein -weiterer bekannter
Vorteil dieser abgeglichenen Systeme besteht darin, daß nur wenig örtliche Oszillatorenergie
zur Antenne gelangen und dort in Form von unerwünschter Strahlung verlorengehen
kann. Um diese Vorteile bei einer Mischanordnung für Mikrowellen der oben beschriebenen
Art auszuwerten ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Ferritstab aus zwei
Hälften besteht, daß zwischen den beiden Hälften des Ferritstabes eine in Resonanz
mit der Frequenz eines örtlichen Oszillators schwingende, sich senkrecht zu der
Breitseite der Hohlrohrleitung erstreckende Metallplatte angeordnet ist, daß die
Schwingungen des örtlichen Oszillators in der Weise in die Hohlrohrleitung eingespeist
werden, daß sich das von diesen Schwingungen erzeugte Magnetfeld in Längsrichtung
der Hohlrohrleitung derart erstreckt, daß es im Bereich der einen Hälfte des Ferritstabes
die entgegengesetzte Richtung als im Bereich der anderen Hälfte des Ferritstabes
aufweist, und daß die beiden Hälften des Ferritstabes je eine Wicklung tragen, die
gegeneinandergeschaltet und mit dem Zwischenfrequenzverstärker verbunden sind. -
Eine zweckmäßige Anordnung dieser Art ist in Fig. 3 veranschaulicht. Der Körper
1, der eine Hohlrohrleitung von rechteckigem Querschnitt bildet, stellt einen Hohlraum
dar, in dem ein Metallstab 2 sowie eine bewegbare Abstimmwand 3 derart angeordnet
sind, daß die Länge des damit begrenzten Hohlraumes einer Wellenlänge entspricht.
In der Mitte zwischen dem Stab und der bewegbaren Wand ist eine Metallplatte 4 durch
zwei Stäbe 5 aus geschmolzenem Silikat parallel zur Breitseite des Hohlraumes gehalten.
Die Länge der Platte 4 ist so gewählt, daß die Platte bei der örtlichen Oszillatorfrequenz
als Dipol in Resonanz kommt, und die Breite der Platte entspricht einem Viertel
der Wellenlänge von der Signalfrequenz. Die Platte wird durch eine in der Nähe befindliche
Sonde 6, die durch ein koaxiales Kabel 7 mit dem nicht dargestellten örtlichen Oszillator
verbunden ist, bei der örtlichen Oszillatorfrequenz zu Resonanzschwingungen angeregt.
Der aus einem geeigneten ferromagnetischen Material hergestellte Stab 8 besteht
aus zwei Hälften, die senkrecht zu den Breitseiten des Hohlraumes in dessen Mitte
so angeordnet sind, daß sie die beiden Räume zwischen der Platte 4 und den Wänden
des Hohlraumes überbrücken. Auf jeder Hälfte des Ferritstabes 8 befindet sich eine
Drahtwicklung, und diese beiden Wicklungen sind einander entgegengesetzt geschaltet.
Dabei sind die freien Enden der Wicklungen auf geeignete Weise mit dem Zwischenfrequenzverstärker
verbunden. Die beiden Hälften des Ferritstabes 8 werden über ihre Länge durch einen
außerhalb des Hohlraumes angeordneten Magnet 9 von geeigneter Stärke magnetisiert.
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Wenn man sich Klarheit über die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung
verschaffen will, muß man sich daran erinnern, daß das Verhalten dann, wenn man
ein oszillierendes Magnetfeld auf ein ferromagnetisches Feld rechtwinklig zu einem
stetigen Feld aufbringt, und zwar bei der Resonanzfrequenz für das Spinsystem, genau
das gleiche ist wie bei einer der kreispolarisierten Komponenten, in welche man
das oszillierende Feld zerlegen kann. Mit anderen Worten, wenn man das Feld in zwei
kreispolarisierte Felder entgegengesetzter Richtungen zerlegt hat, so ruft nur eines
dieser Felder eine Änderung der Magnetisierung hervor.
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Nun erstreckt sich das auf die Resonanz der Platte 4 zurückzuführende
Magnetfeld längs der Achse des Hohlraumes der Wellenführung, jedoch oberhalb und
unterhalb der Platte in entgegengesetzten Richtungen. Das auf die Resonanz des Hohlraumes
zurückzuführende Magnetfeld verläuft jedoch oberhalb und unterhalb der Platte längs
derselben. Wenn man diese Felder in kreispolarisierte Komponenten zerlegt und z.
B. die linke Komponente vernachlässigt, wenn die rechte Komponente der Plattenresonanz
in Phase mit der rechten Komponente der Hohlraumresonanz oberhalb der Platte ist,
so ist sie unterhalb der Platte außer Phase, und umgekehrt. Das Vorhandensein eines
Signals in dem Hohlraum ruft somit eine Steigerung der wirksamen Erregung einer
Hälfte des Stabes 8 hervor, während die Erregung der anderen Hälfte des Stabes verringert
wird. Die an den entgegengesetzt geschalteten Wicklungen entstehende Spannung, die
auf den Unterschied der Magnetisierung der beiden Hälften des Stabes 8 zurückzuführen
ist, ist daher der Signalenergie proportional. Der Frequenzunterschied zwischen
dem eintreffenden Signal und dem örtlichen Oszillator kann daher als eine langsame
Änderung der relativen Phasen aufgefaßt werden. Wenn sie in einem Augenblick oberhalb
der Platte in Phase und unterhalb der Platte außer Phase sind, so werden sie sich
nach einer Viertelwelle der Differenzfrequenz oberhalb und unterhalb der Platte
in Quadratur befinden. Nach einer weiteren Viertelwellenlänge werden sie oberhalb
der Platte außer Phase und unterhalb der Platte in Phase sein, usw. Der Unterschied
zwischen den Magnetisierungen der beiden Hälften des Stabes variiert daher gemäß
einer Sinusfunktion bei der Differenzfrequenz bzw. der Zwischenfrequenz. Als ein
geeignetes Ferrit hat sich Magnesium-Mangan erwiesen.