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Mikrowellen-Schaltglied unter Verwendung eines Zirkulators mit umpolbarem
statischem Magnetfeld Die Erfindung betrifft ein Schaltglied für Mikrowellen.
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In der Mikrowellentechnik werden oft Schaltglieder benötigt, welche
im Zuge einer Energieleitung liegen und zwischen ungestörtem Durchlaß und totaler
Reflexion dergeführten Wellen umschaltenkönnen. Insbesondere soll diese Umschaltung
sehr schnell arbeiten und mit elektronischen Mitteln durchgeführt werden.
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Es ist bereits eine Schaltanordnung für Mikrowellen bekannt, welche
mit Drehung der Polarisationsebene in einem runden Hohlrohr arbeitet. Zu diesem
Zweck enthält dieses runde Hohlrohr einen axialen Ferritstab, welcher mittels einer
Spule magnetisiert wird. In diesem Ferritstab findet eine von der Stärke des angelegten
statischen Magnetfeldes abhängige Drehung der Polarisationsebene der Welle statt
(Faraday-Effekt). Im Zusammenhang mit an beiden Seiten dieses Hohlrohres angebrachten
übergängen vom runden Querschnitt auf den Querschnitt von rechteckigen Hohlröhren,
welche nur eine bestimmte Polarisation durchlassen und die hiergegen um 90° versetzte
Polarisation sperren, kann durch Umschalten des Erregerstromes des angelegten statischen
Magnetfeldes die gewünschte hochfrequenzmäßige Schaltwirkung erreicht werden.
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Diese bekannte Anordnung hat jedoch den großen Nachteil, daß sie,
insbesondere im unteren Mikrowellengebiet (500- bis 3000 MHz), sehr große Abmessungen
besitzt, da der Durchmesser des Hohlrohres mit Rücksicht auf die Grenzwellenlänge
groß und die Länge zur Erzielung einer gewünschten breitbandigen Anpassung und der
erforderlichen relativ großen Polarisationsdrehung von 90° damit erheblich wird.
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Ferner ist bereits ein Mikrowellen-Schaltglied bekanntgeworden, welches
einen Zirkulator verwendet,. dessen statisches Magnetfeld umpolbar ist.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Mikrowellen-Schaltglied
aufzuzeigen, welches die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet und insbesondere
für Geräte der Richtfunktechnik geeignet ist.
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Ausgehend von einem Mikrowellen-Schaltglied, bei welchem ein Zirkulator
mit umpolbarem statischem Magnetfeld verwendet wird, wird deshalb erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß aus zwei dreiarmigen Ferritzirkulatoren durch Verbinden von zwei
Armen des einen Zirkulators mit den zwei entsprechenden Armen des anderen Zirkulators
eine Schleifenschaltung gebildet wird, wobei einer der beiden Zirkulatoren bezüglich
seines statischen Magnetfeldes umpolbar ausgebildet ist. Das Prinzip des erfindungsgemäßen
Schaltgliedes soll im folgenden an Hand der Fig. 1 näher erläutert werden.
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Die Anordnung besteht aus zwei dreiarmigen Zirkulatoren Zil und Zig,
welche eine Schleifenschaltung bilden. In der Schaltstellung für den ungestörten
Durchgang einer Welle von der Leitung L1 zur Leitung L1 ist der Drehsinn der beiden
Zirkulatoren gleichsinnig, wie das durch die ausgezogenen Richtungspfeile dargestellt
ist. Eine von der Leitung L1 kommende Welle Wll gelangt über den Arm 1 des Zirkulators
Zil zum Arm 2, von dort über die Verbindungsleitung L22 zum Arm 2 des Zirkulators
Zig, um anschließend über den Arm 1 dieses Zirkulators zur Leitung L1 zu gelangen.
Die beiden Zirkulatoren sind an allen Leitungsanschlüssen reflexionsfrei angepaßt,
so daß die beschriebene Übertragung der Welle Wll von der Leitung L1 zur Leitung
L1 ebenfalls reflextionsfrei erfolgt.
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Der entsprechende Vorgang gilt für die umgekehrte übertragungsrichtung,
d. h. wenn eine Welle in die Leitung L1' eingespeist wird, nur mit dem Unterschied,
daß jetzt diese Welle die Verbindungsleitung L.3 durchläuft.
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In der Schaltstellung für Totalreflexion zwischen L1 und L1' besitzen
die Zirkulatoren entgegengesetzte Drehrichtung. Diese läßt sich z. B. erreichen
durch Umpolen des statischen Magnetfeldes des Zirkulators Zig, dargestellt durch
den gestrichelten Drehzeiger dieses Zirkulators. Eine in die Leitung L1 eingespeiste
Welle Wll gelangt wieder über die Leitung L22 zum Arm 2 des Zirkulators Zig. Jetzt
wird diese Welle jedoch
entsprechend der geänderten Drehrichtung
des Zirkulators zum Arm 3 weitergeleitet, um dann über die Leitung L33 zum dritten
Arm des ersten Zirkulators Zil zu gelangen. Danach durchläuft die Welle den
ersten Zirkulator bis zu seinem Arm 1, um dann in die Leitung L1 zu gelangen, d.
h., es tritt Totalreflexion auf. Die vom Schaltglied weiterführende Leitung L, bleibt
bei diesem Vorgang entkoppelt, also energiefrei.
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Der entsprechende Vorgang gilt auch für die umgekehrte Richtung, d.
h. für eine Welle, die in die Leitung L, eingespeist wird. Hierbei tritt ebenfalls
Totalreflexion auf, und die Leitung L1 bleibt entkoppelt, wobei die Leitungsschleife
zwischen den Zirkulatoren gleichfalls in umgekehrter Richtung durchlaufen wird.
Das gesamte Schaltglied ist somit reziprok, da die Eigenschaften für beide Übertragungsrichtungen
die gleichen sind, obwohl die Bauelemente in Gestalt der Zirkulatoren nichtreziproke
Elemente darstellen.
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Als Zirkulatoren werden zweckmäßigerweise die bekannten Y-Zirkulatoren
verwendet, da sie eine besonders kleine Bauweise erlauben.
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In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer gemäß der Erfindung
aufgebauten Anordnung als schematische Schnittzeichnung dargestellt. Die Zirkulatoren
Zil und Zig bestehen aus je einer Hohlrohrverzweigung in Y-Form. Im Verzweigungsmittelpunkt
ist je ein Ferritstab F1 bzw. Fi angebracht, welcher mit Hilfe eines nicht gezeichneten
Magnetsystems einem statischen Magnetfeld ausgesetzt ist. Die Zirkulatorwirkung
ergibt sich hierbei durch passende Wahl der Ferritgeometrie und die Größe des angelegten
statischen Magnetfeldes. Die Hohlrohrverzweigung ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel
in der Ebene der Hohlrohrbreitseite a vorgenommen. Die Ferritstäbe liegen quer hierzu
in der Ebene der Schmalseite des entsprechenden Hohlrohres. Ein Zirkulator enthält
zur Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes beispielsweise einen Permanentmagneten,
während am anderen Zirkulator ein ebenfalls nicht eingezeichneter Elektromagnet
vorgesehen ist, dessen Erregung elektronisch geschaltet wird. Durch Umpolung der
Erregung des letztgenannten Magneten wird die Drehrichtung des zugehörigen Zirkulators
umgedreht, so daß die gewünschte hochfrequenzmäßige Schaltwirkung eintritt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann räumlich sehr klein aufgebaut
werden, da die Hohlrohrverzweigung und die Verbindungsleitungen L22 und L33 zwischen
den Zirkulatoren extrem kurz gehalten werden können. Da ferner bei dieser Bauweise
nur ein relativ schwaches statisches Magnetfeld erforderlich ist, bleibt der Elektromagnet
ebenfalls sehr klein und kann somit sehr schnell umgeschaltet werden.
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Der Vorteil der erwähnten Kleinbauweise wird insbesondere bei niedrigen
Frequenzen, etwa unterhalb 3000 MHz bedeutsam, da in diesem Fall die Anordnung nach
Fig. 2 an Stelle von Hohlrohren mit koaxialen Leitungen oder mit Bandleitungen aufgebaut
werden kann. Dies ist möglich, da der Zirkulator mit Y-Verzweigung auch dann arbeitet,
wenn diese Verzweigung z. B. mit koaxialen Leitungen ausgeführt wird.
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Das beschriebene Schaltglied ist breitbandig, es können damit ganze
Frequenzbänder umgeschaltet werden. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße
Anordnung auch eine Umschaltung mit Teilfrequenzen verschiedener übertragungsrichtung,
wie das bei Richtfunkgeräten mit Sendern und Empfängern der Fall ist.