DE1107303B - Nichtreziproker Wellenuebertrager fuer Wellenleiter von im wesentlichen transversalem elektromagnetischem Typ - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtreziproken Wellenübertrager.

Nichtreziproke Wellenübertrager sind bekannt. Die neueren und zugleich wirksamsten Übertrager dieser Art verwenden magnetisierte Ferritelemente, die aüF geeignete Weise derart in einem wellenleitenden Gebilde angebracht sind, daß sie die gewünschten nichtreziproken Eigenschaften ergeben. Die Funktion dieser Vorrichtungen beruht auf der Eigenschaft, daß ein magnetisiertes Ferritelement elektromagnetische Energie in einer Richtung hindurchläßt, in der Gegenrichtung jedoch abschwächt oder sogar absorbiert. Dazu muß das Ferritelement innerhalb des wellenleitenden Gebildes an einer Stelle angebracht sein, an der eine resultierende Komponente eines zirkulärpolarisierten hochfrequenten Magnetfeldes vom gleichen Schwingungstyp vorhanden ist, wie er sich im Wellenleiter fortpflanzt.

Das zirkulär polarisierte hochfrequente Magnetfeld existiert in den meisten der bekannten nichtreziproken Ferritanordnungen in dem gleichen Schwingungstyp wie die Energie, die sich bei Abwesenheit des Ferritelements fortpflanzt. Man bringt dann den Ferrit so an, daß die resultierende Schwingung die größte Komponente ihres zirkulär polarisierten Magnetfeldes gerade im Gebiet des magnetisierten Ferrits hat. So wird beispielsweise das Ferritelement in einem Rechteckhohlleiter, der Energie in seinem Grundwellenmodus fortpflanzt, an einer Stelle angeordnet, die sich auf halbem Weg zwischen der Längsachse des Hohlleiters und einer seiner breiten Wände befindet. Obwohl diese Anordnung die meistgebräuchliche ist, ist es unter gewissen Bedingungen dennoch möglich, eine nichtreziproke Wellenübertragung zu erzielen, indem man den Ferrit an einer Stelle anordnet, wo das hochfrequente Magnetfeld linear polarisiert ist. Wenn man einen so angeordneten Ferrit magnetisiert, dann bildet sich in diesem infolge des gyromagnetischen Effekts eine kleine Komponente des benötigten zirkulär polarisierten Magnetfeldes aus. Die nichtreziproken Wirkungen, die sich aus einer solchen Arbeitsweise ergeben, sind jedoch von 2. Ordnung und deshalb weniger ausgeprägt als bei der zuvor beschriebenen Anordnung.

Nichtreziproke Anordnungen, wie sie soeben beschrieben wurden, sind für ein Arbeiten bei den höheren Mikrowellenfrequenzen geeignet. Will man solche Anordnungen jedoch für niedrigere Mikrowellenfrequenzen oder für das Ultrakurzwellengebiet konstruieren, so werden sie außerordentlich groß. Da Koaxialleitungen kleiner sind als Hohlleiter, sind sie für die Energieübertragung bei den erwähnten nied-Nichtreziproker Wellenübertrager

für Wellenleiter von im wesentlichen

transversalem elektromagnetischem Typ

Anmelder:

Hughes Aircraft Company,
Culver City, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,

Düsseldorf 10, Cecilienallee 76

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. Juni i959

Robert L. Fogel, Torrance, CaHf.,
und Herbert T. Suyematsu, Los Angeles, Calif.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

rigeren Frequenzen besser geeignet als Hohlleiter. Will man aber Koaxialleiter für den Aufbau nichtreziproker Anordnungen verwenden, so muß man einen neuen Weg zur Lösung des Problems rinden, weil das hochfrequente Magnetfeld des transversalen elektromagnetischen Grundwellentyps (kurz des TEM-Grundwellentyps) linear polarisiert ist. Auch hier kann man ohne weiteres nichtreziproke Effekte 2. Ordnung erhalten. Um jedoch die wirksameren Effekte 1. Ordnung zu bekommen, scheint es richtiger zu sein, den einen oder anderen Weg aus einer Anzahl weiterer möglicher Wege zu beschreiten.

Ein möglicher Weg, bei einem Koaxialleiter nichtreziproke Effekte 1. Ordnung zu erhalten, besteht darin, daß man im Koaxialleiter die Oberwelle vom TE₁₁-MOdUs fortpflanzt, die eine zirkulär polarisierte Komponente ihres hochfrequenten Magnetfeldes hat. Um eine solche TE₁₁-WeIIe mittels einer Koaxialleitung gegebener Abmessungen fortzupflanzen, muß die benötigte Frequenz weit höher sein als die der

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TEM-Grundwelle für die gleiche Koaxialleitung. Umgekehrt müssen bei vorgegebener Frequenz die Abmessungen der Leitung weit größer sein, wenn man die Energie als TE₁₁-WeIIe statt als TEM-Welle fortpflanzen will. Die sich ergebenden Unterschiede in den Abmessungen sind derart groß, daß sich kein Vorteil in den Abmessungen mehr ergibt, wenn man an Stelle von hohlen wellenleitenden Gebilden Koaxialleitungen verwendet. Im übrigen hat Energie, die sich im TE₁₁-MOdUs fortpflanzt, zufolge mechanischer oder elektrischer Asymmetrien im Koaxialleiter, beispielsweise in Form von Biegungen oder Kupplungen, die Tendenz, in die Grundwelle vom TEM-Modus umzuschlagen.

Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung nichtreziproker Effekte in Koaxialleitern besteht darin, daß man der Leitung einen inhomogenen Querschnitt gibt, der die Fortpflanzung der TEM-Welle verhindert. Der Grundwellenmodus für einen derart modifizierten Koaxialleiter besteht aus einer gemischten Welle, die im allgemeinen sowohl den TE- als auch den TM-Modus enthält, wenn auch in einigen Sonderfällen die Grundwelle nur vom TE- oder nur vom TM-Modus sein kann. Dieses Prinzips hat man sich in Koaxialleitern bedient, bei denen man die Leiter zur Hälfte mit einem Material hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt hat. Die Grenzbedingungen, die sich bei einer solchen Anordnung ergeben, erfordern die Existenz longitudinaler Komponenten des hochfrequenten Magnetfeldes, die in Verbindung mit der zirkulären Komponente des hochfrequenten Magnetfeldes die benötigte zirkuläre Polarisation an der die Luft und das Dielektrikum scheidenden Grenzfläche ergeben. Bringt man nun längs dieser Grenzfläche Stäbe aus Ferritmaterial an, so erhält man in Gegenwart eines statischen Magnetfeldes nichtreziproke Wellenleitung. Verschiedene geometrische Anordnungen zum Ausfüllen der Koaxialleiter mit Dielektrikum im Zusammenhang mit der jeweils zur Erzeugung nichtreziproker Wellenleitung geeigneten Anordnung der Ferritelemente sind untersucht worden.

Bei dem zuletzt beschriebenen Typ von Koaxialleiter, also einem Gebilde, in dem die Inhomogenität nichtzirkularsymmetrisch ist, kennt man die Zusammenhänge zwischen der Größe des zirkulär polarisierten hochfrequenten Magnetfeldes und den charakteristischen Daten des Dielektrikums nicht genau, da die exakten Lösungen der Wellengleichungen für diesen Fall noch nicht erhalten werden konnten. Experimentelle und angenäherte theoretische Ergebnisse zeigen jedoch, daß die Größe des nichtreziproken Effekts zunimmt, wenn der Wert der Dielektrizitätskonstante des zum Ausfüllen des Koaxialleiters benutzten Dielektrikums ansteigt. Um diese Ergebnisse für eine Koaxialleitung mit inhomogenem Querschnitt besser verständlich zu machen, sei angenommen, daß der Unterschied in den Fortpflanzungsgeschwindigkeiten für die Wellen in den beiden verschiedenen Medien eine Verzerrung der Grundwelle hervorruft. Wenn die Koaxialleitung vollständig mit einem der beiden Medien ausgefüllt ist, so pflanzt sich eine TEM-Welle mit der Freiraumgeschwindigkeit für dieses Medium in der Koaxialleitung fort, und es entsteht keine longitudinale Komponente des hochfrequenten Magnetfeldes. Macht man den Querschnitt der Leitung inhomogen, so wird die Energie danach trachten, sich in jedem der beiden Medien mit der Freiraumgeschwindigkeit für dieses Medium fortzupflanzen. Da sich die Energie jedoch über den ganzen Querschnitt mit derselben Geschwindigkeit fortpflanzen muß, wird die resultierende verzerrte Welle (in der Regel eine gemischte TE- plus TM-Welle) eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit haben, deren Wert zwischen den Grenzwerten liegt, die sich aus den Freiraumgeschwindigkeiten für die beiden Einzelmedien ergeben. Im vorliegenden Fall wird also die gemischte Welle eine Komponente haben, die aus

ίο einem zirkulär polarisierten hochfrequenten Magnetfeld besteht. Es leuchtet deshalb ein, daß mit Zunahme des Verhältnisses zwischen den Fortpflanzungsgeschwindigkeiten in den beiden Medien auch die Größe der Verzerrung der ursprünglichen Welle — und damit im vorliegenden Fall die Größe der Komponente des zirkulär polarisierten hochfrequenten Magnetfeldes — ebenfalls zunimmt.

Man kann also, wie vorstehend beschrieben, nichtreziproke Wellenfortpflanzung erhalten, muß sich jedoch darüber klar sein, daß bei dielektrischen Materialien die dielektrischen Verluste mit ansteigender Dielektrizitätskonstante zunehmen. Die Folge ist, daß der dielektrische Verlust bei Verwendung von Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 15 oder mehr die Funktion einer nichtreziproken Anordnung, in der diese Materialien verwendet werden, zu beeinträchtigen beginnt. Daraus folgt weiter, daß der Wirkungsgrad für die nichtreziproken Effekte bei Anordnungen mit dielektri- scher Füllung durch das maximal mögliche Verhältnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten entscheidend begrenzt wird, weil der Vergrößerung dieses Verhältnisses der gleichzeitig zunehmende dielektrische Verlust hindernd im Wege steht.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die eben erwähnten Nachteile zu vermeiden. Bei einem nichtreziproken Wellenübertrager, bestehend aus einem Wellenleiter, der im wesentlichen dem TEM-Typ entspricht, der eine Verzögerungsvorrichtung enthält, die dazu dient, den Querschnitt des Wellenleiters teilweise derart zu modifizieren, daß sich in seinem Innern zwei Gebiete mit verschiedenen Geschwindigkeiten der Energiefortpflanzung ergeben, wobei mindestens ein Ferritstreifen vorgesehen ist, der längs der Begrenzung der beiden Gebiete verschiedener Fortpflanzungsgeschwindigkeit angebracht ist, enthält erfindungsgemäß die Verzögerungsvorrichtung eine Anzahl in einem Abstand voneinander quer zu dem Ferritstreifen angebrachter elektrisch leitender EIe-

So mente. Dadurch ergibt sich ein wirksamer, kompakter und im Aufbau einfacher nichtreziproker Wellenübertrager ohne dielektrisches Material.

Die Zeichnung veranschaulicht zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung einer koaxialen Verzögerungsleitung mit nichtreziproker Charakteristik und den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 eine für die Leitung charakteristische Kurve, aus der die Arbeitsweise ersichtlich ist, und

Fig. 3 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt 11 einer Koaxialleitung, der einen Innenleiter 12 und einen Außenleiter 13 enthält. Am Innenleiter 12 sind quer zur Längsachse eine Anzahl halbkreisförmiger leitender Scheiben 14 in untereinander ähnlicher Weise angebracht, die sich radial erstrecken und parallel zueinander und mit

einem Abstand voneinander liegen. Diese Scheiben 14 sind elektrisch mit dem Innenleiter 12 verbunden, während sie vom Außenleiter 13 z. B. dadurch isoliert sind, daß sie von ihm einen geeigneten Abstand haben. Mit der dargestellten Anordnung erhält man eine modifizierte Verzögerungsleitung, in der sich die elektromagnetische Energie in einem gemischten Schwingungstyp fortpflanzt, der im allgemeinen aus einer Kombination des TE- und des TM-Modus besteht.

Der Grund für die Fortpflanzung der genannten gemischten Welle ist in der Einleitung bereits erläutert worden und leicht einzusehen, wenn man daran denkt, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in dem scheibenerfüllten Halbraum der Leitung einen Wert hat, der verschieden ist von dem Wert der Fortpflanzungssgeschwindigkeit für den nicht mit Scheiben angefüllten Raum. Da sich Energie in einem derartigen Gebilde nur mit einem einzigen Wert der Fortpflanzungsgeschwindigkeit ausbreiten kann, hat die tatsächliche Fortpflanzungsgeschwindigkeit einen Wert, der zwischen den beiden erwähnten Werten liegt. Die durch das teilweise Beladen des Innenleiters mit Scheiben hervorgerufene Inhomogenität macht es deshalb erforderlich, daß die resultierende Welle eine longitudinale Komponente des hochfrequenten Magnetfeldes besitzt, die in Verbindung mit der zirkulären Komponente ein zirkulär polarisiertes hochfrequentes Magnetfeld an oder in der Nähe der Grenze zwischen dem mit Scheiben erfüllten und dem nicht mit Scheiben erfüllten Halbraum der Leitung ergibt.

Die Theorie der Arbeitsweise einer koaxialen Verzögerungsleitung, die mit auf dem Innenleiter angebrachten Vollscheiben bestückt ist, ist der Fachwelt bekannt und läßt sich im Prinzip auch auf das in den vorausgegangenen Abschnitten beschriebene, nur teilweise mit Scheiben ausgefüllte Gebilde mit geringfügigen Abwandlungen anwenden. Eine derartige, teilweise mit Scheiben erfüllte Koaxialleitung ist hinsichtlich ihrer Arbeitsweise reziprok, d. h., Wellen, die sich in der einen Richtung fortpflanzen, werden in genau der gleiten Weise beeinflußt wie Wellen, die sich in der Gegenrichtung fortpflanzen.

Um nun dieser teilweise mit Scheiben angefüllten Koaxialleitung eine nichtreziproke Charakteristik zu geben, werden zwei dünne, längliche Streifen 16 und 17 auf Ferritmaterial auf den radial verlaufenden Kanten der Scheiben 14 angebracht, so daß sich diese Streifen 16 und 17 parallel zum Innenleiter 12 erstrecken, wobei auf jeder Seite des Innenleiters einer der beiden Ferritstreifen verläuft. Bei einer derartigen Anordnung befinden sich die Streifen 16 und 17 an der Grenze zwischen dem mit Scheiben erfüllten und dem nicht mit Scheiben erfüllten Halbraum des Koaxialleiters, d. h. an der Stelle, wo das zirkulär polarisierte hochfrequente Magnetfeld vom gemischten Schwingungstyp der sich im Koaxialleiter fortpflanzenden Energie vorhanden ist. Ein regulierbares, durch die Pfeile 21 angedeutetes Magnetfeld H wird auf übliche Weise erzeugt, und zwar so, daß es diametral durch die Koaxialleitung 11 und parallel zu den Breitflächen der Streifen 16 und 17 verläuft.

Bei geeigneter Magnetisierung der Streifen 16 und 17 stehen die Elektronenspins innerhalb des Ferrits und der Drehsinn des zirkulär polarisierten hochfrequenten Magnetfeldes nur für eine Richtung der Energiefortpflanzung in der richtigen Beziehung zueinander, wodurch sich eine nichtreziproke differentielle Phasenverschiebung und Abschwächung ergibt.

Ein 76 mm langes Stück einer modifizierten Verzögerungsleitung von dem oben beschriebenen Aufbau, die einen Außendurchmesser von 16 mm hat und elektromagnetische Energie von 3000 Megahertz fortpflanzt, arbeitet gemäß Fig. 2. Dort ist die differentielle Phasenverschiebung in Graden aufgetragen als Funktion des angewandten statischen Magnetfeldes in

ίο Gauß. Wie man der Kurve 26 entnimmt, entspricht der an sich kleinen Zunahme des Magnetfeldes von 0 auf 400 Gauß ein Bereich für die differentielle Phasenverschiebung von 0 bis 150°. Ähnliche Arbeitsweise ergab bei einem 32 mm langen Stück einer solchen modifizierten koaxialen Verzögerungsleitung eine differentielle Phasenverschiebung von 90 ±5° bei einem Verlust von 0,3 db. Mit dem beschriebenen Gebilde wurde über 12% Bandbreite ein Stehwellenverhältnis von 1,1 und weniger erhalten, wenn ein in der Zeichnung nicht dargestellter Anpassungstransformator an jedem Ende der Leitung angebracht wurde. Die vorstehenden Ergebnisse zeigen die Brauchbarkeit des Gerätes nach der Erfindung als differentieller Phasenschieber, der schon an sich viele Verwendungsmöglichkeiten in der Mikrowellentechnik hat. Bei einer derartigen Vorrichtung ist das Verhältnis zwischen den Fortpflanzungsgeschwindigkeiten für das mit Scheiben erfüllte und das nicht mit Scheiben erfüllte Gebiet von der Größenordnung 1:10. Daraus folgt, daß man, um das gleiche Ergebnis in einem mit Dielektrikum erfüllten wellenleitenden Gebilde zu erhalten, ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante der Größenordnung 100 verwenden müßte. Die Verluste, die in einem Material von derart hoher Dielektrizitätskonstante entstehen, verbieten jedoch seine Verwendung für den vorliegenden Zweck völlig. Bei einem gemäß der Erfindung aufgebauten Gebilde werden diese Verluste dagegen vollständig vermieden. Daneben läßt sich die Vorrichtung bei Vergrößerung des Magnetfeldes auf einen Wert, der gyromagnetische Resonanz in den Ferritstreifen 16 und 17 ergibt, als Isolator verwenden, der ausgeprägt hohe Werte der Abschwächung für die eine Fortpflanzungsrichtung und sehr kleine Abschwächung in der Gegenrichtung ergibt.

In Fig. 3 ist ein zweiter nichtreziproker Wellenübertrager 31 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Anzahl von Halbscheiben 32 in radialer Richtung in elektrischem Kontakt mit dem Außenleiter 33 an diesem angebracht. Diese Scheiben liegen wiederum parallel zueinander und haben einen gewissen Abstand voneinander. Sie erstrecken sich nach innen bis zum Innenleiter 34 hin, ohne ihn jedoch zu berühren. Das sich ergebende Gebilde stellt ebenfalls eine mit einer Verzögerungsvorrichtung versehene Koaxialleistung dar und arbeitet im Prinzip ebenso wie das in Fig. 1 dargestellte Gebilde. So ergeben hier längliche und zu beiden Seiten des Innenleiters 34 und zu diesem parallel auf den radial verlaufenden Kanten der Halbscheiben 32 angebrachte Ferritstreifen 36 und 37 eine nichtreziproke Übertragungscharakteristik, wenn man sie auf geeignete Weise magnetisiert. Zur Erzeugung der gewünschten Magnetisierung ist eine (nicht gezeichnete) Einrichtung üblicher Art zur Erzeugung eines veränderbaren statischen Magnetfeldes außerhalb der Verzögerungsleitung angeordnet, das ein parallel zu den Breitseiten der Ferritstreifen 36 und 37 durch diese hindurchlaufendes

Magnetfeld H erzeugt, wie es in Fig. 3 durch die Pfeile 39 angedeutet ist.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform der Erfindung ist die gleiche wie die der Ausführungsform nach Fig. 1. Es ergeben sich also bei verhältnismäßig kleinen Werten des aufgedrückten Magnetfeldes differentielle Phasenverschiebungen für die sich in einer Richtung durch die Leitung fortpflanzende Energie. Ebenfalls erhält man bei Vergrößerung des statischen Magnetfeldes auf einen Wert, der zu gyromagnetischer Resonanz im Ferrit führt, ein nichtreziprokes Dämpfungsverhalten.

Es sei noch hervorgehoben, daß bei den vorstehend beschriebenen nichtreziproken Wellenübertragern der »Füllungsgrad« von 50%, wie er sich daraus ergibt, daß der Koaxialleiter mit halbkreisförmigen Scheiben gefüllt ist, keine Begrenzung für die Anwendbarkeit des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips darstellt, sondern daß andere geometrische Konfigurationen, die zu einem inhomogenen Querschnitt des Wellenleiters führen, im Bereich der Anwendungsmöglichkeit der Erfindung liegen. Nebenbei sei erwähnt, daß der Wellenleiter nicht unbedingt ein kreisförmiger Koaxialleiter sein muß, da sich die gleichen Prinzipien auch auf andere Leiterformen anwenden lassen, bei denen der Grundwellentyp der Fortpflanzung normalerweise der TEM-Modus ist. Dies gilt z. B. für eine rechteckige Koaxialleitung, eine Streifenleitung oder eine Plattenleitung.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Nichtreziproker Wellenübertrager, bestehend aus einem Wellenleiter von im wesentlichen transversalem elektromagnetischem Typ, einer im Innern des Wellenleiters angeordneten Verzögerungsvorrichtung, die den Querschnitt des Wellenleiters teilweise derart modifiziert, daß sich in ihm zwei Gebiete mit verschiedener Geschwindigkeit der Energiefortpflanzung ergeben, wobei mindestens ein Ferritstreifen längs einer Grenzlinie zwischen den beiden Gebieten angeordnet ist, da durch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsvorrichtung aus einer Anzahl von leitenden Elementen besteht, die in Abstand voneinander längs dem Ferritstreifen und quer zu diesem angeordnet sind.

2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter vom koaxialen Typ mit Innenleiter (12, 34) und Außenleiter (13, 33) ist und daß die leitenden Elemente die Form halbkreisförmiger Scheiben (14, 32) haben, die mit einem der beiden Leiter (12, 33) verbunden sind, während sie mit dem anderen Leiter (13,34) nicht in Berührung stehen.

3. Übertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden halbkreisförmigen Scheiben (14) mit dem Innenleiter (12) verbunden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109 60S/315 5.61