DE1098049B - Mischanordnung fuer Mikrowellen unter Verwendung eines Ferritstabes - Google Patents

Mischanordnung fuer Mikrowellen unter Verwendung eines Ferritstabes

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DE1098049B
DE1098049B DET15209A DET0015209A DE1098049B DE 1098049 B DE1098049 B DE 1098049B DE T15209 A DET15209 A DE T15209A DE T0015209 A DET0015209 A DE T0015209A DE 1098049 B DE1098049 B DE 1098049B
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ferrite rod
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ferrite
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Amherst Felix Home Thomson
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National Research Development Corp UK
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03DDEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
    • H03D9/00Demodulation or transference of modulation of modulated electromagnetic waves
    • H03D9/06Transference of modulation using distributed inductance and capacitance

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Mischanordnung für Mikrowellen unter Verwendung eines Ferritstabes, welcher sich quer durch eine rechteckige Hohlrohrleitung erstreckt, in seiner Längsrichtung einem magnetischen Richtfeld ausgesetzt ist und eine mit dem Zwischenfrequenz-Ausgangskreis verbundene Wicklung trägt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritstab aus zwei Hälften besteht, daß zwischen den beiden Hälften des Ferritstabes eine in Resonanz mit der Frequenz des örtlichen Oszillators schwingende, sich senkrecht zu der Breitseite der Hohlrohrleitung erstreckende Metallplatte angeordnet ist, daß die Schwingungen eines 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. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 825 765; IRE Transactions onMicrowave Theory and Techniques, Januar 1958, S. 5 bis 18; Bell Laboratories Record, August 1957, S. 316; Proceedings of the IRE, März 1958, S. 594 bis 601; Philips Technische Rundschau, 1956/57, Nr. 1 S. 15 bis 20.
DET15209A 1958-05-28 1958-05-28 Mischanordnung fuer Mikrowellen unter Verwendung eines Ferritstabes Pending DE1098049B (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2825765A (en) * 1953-12-28 1958-03-04 Marie Georges Robert Pierre Amplifying circuit for micro-waves, especially millimeter waves

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US2825765A (en) * 1953-12-28 1958-03-04 Marie Georges Robert Pierre Amplifying circuit for micro-waves, especially millimeter waves

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