DE1119350B

DE1119350B - Resonanzisolator

Info

Publication number: DE1119350B
Application number: DEG28400A
Authority: DE
Inventors: John Mears Sidwell; John Francis Werner
Original assignee: General Electric Co PLC
Current assignee: General Electric Co PLC
Priority date: 1958-11-20
Filing date: 1959-11-19
Publication date: 1961-12-14
Also published as: US3125732A; FR1242007A; CH386501A; GB862451A

Description

Die Erfindung betrifft Resonanzisolatoren mit zwei langgestreckten Leitern, von denen sich Teile im allgemeinen rechtwinklig kreuzen, sowie mit einem Element aus magnetisch polarisierbarem Material, welches den gyromagnetischen Effekt bei der Arbeitsfrequenz zeigt und das zwischen den Teilen des Leiters angebracht ist, und mit einem dritten Leiter, der von den beiden anderen Leitern isoliert ist und mit diesem zwei Doppelleitungen bildet, die sich jeweils zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß des Isolators erstrecken und solche elektrische Längen für die Teile, die zwischen dem Kreuzungspunkt und dem Eingangs- und Ausgangsanschluß liegen, haben, daß bei der Zuführung von elektromagnetischen Wellen mit der Arbeitsfrequenz an den Eingangsanschluß die entstehenden elektrischen Ströme in den genannten Teilen der Leiter im wesentlichen um 90° phasenverschoben sind und die entstehenden elektrischen Ströme, die an den Ausgangsanschluß geliefert werden, im wesentlichen in Phase sind.

In dieser Beschreibung bezeichnet der Begriff »Resonanzisolator« eine Vorrichtung, die eine elektrische Übertragungsleitung enthält und die so eingerichtet ist, daß sie elektromagnetische Wellen in einer Richtung durch die Übertragungsleitung mit kleiner Dämpfung hindurch verlaufen läßt, jedoch in der entgegengesetzten Richtung verlaufenden elektromagnetischen Wellen verhältnismäßig hohe Dämpfung als Folge ferromagnetischer Resonanz von in der Übertragungsleitung befindlichem Material bietet.

Die Erscheinung ferromagnetischer Resonanz und der »Mechanismus«, gemäß dem ein Resonanzisolator keine wechselseitige Übertragungscharakteristik hat, sind in einem Aufsatz mit dem Titel »Behaviour and Applications of Ferrites in the Microwave Region« (»Verhalten und Anwendungen von Ferriten im Mikrowellenbereich«) von A.G.Fox, S.E.Miller und N.T.Weiss in der Zeitschrift »Bell System Technical Journal«, Bd. 34, ab S. 5 erörtert.

Bei einem Resonanzisolator wird gyromagnetisches Material, wie Ferrit, als der Stoff verwendet, der ferromagnetischer Resonanz unterworfen ist. In einem solchen Isolator ist die Anordnung so getroffen, daß dieses Material während des Betriebes sowohl in einem gleichförmigen Magnetfeld, das von einem Permanent- oder Elektromagneten erhalten wird, als auch in einem kreispolarisierten Hochfrequenzfeld infolge der elektromagnetischen Wellen in der Übertragungsleitung liegt. Der gyromagnetische Stoff wird auf diese Weise magnetisiert und die Anordnung ist so getroffen, daß die Permeabilität des Stoffes und der

Anmelder:

The General Electric Company Limited,
London

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau, Lauterste. 37, und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 27,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
. Großbritannien vom 20. November 1958 (Nr. 37 384/58)

John Mears Sidwell und John Francis Werner,

Wembley, Middlesex (Großbritannien),
ao sind als Erfinder genannt worden

Verlust in diesem jeweils verschiedene Werte für jede Richtung des Hochfrequenzfeldes und somit der elektromagnetischen Wellen in der Übertragungsleitung haben. Die nicht wechselseitige Übertragungscharakteristik eines Resonanzisolators wird durch Ausnutzung der verschiedenen Verlustwerte in dem magnetisierten gyrometrischen Material erhalten.

Bei einigen Übertragungsleitungsarten, von denen eine Koaxialleitung ein Beispiel darstellt, existiert normalerweise kein Bereich des kreisförmig polarisierten Hochfrequenzfeldes, wenn die durch diese Leitung übertragene Energie überwiegend im Querschwingungstyp schwingt. Eine solche Übertragungsleitung in einem Resonanzisolator muß daher geeignet belastet werden, damit eine Längskomponente des Hochfrequenzmagnetfeldes entsteht, die sich in einer zeitlichen Phasenverschiebung um 90° zu dem Querfeld infolge des Stromes in der Leitung befindet.

In dem obigen Zusammenhang ist vorgeschlagen worden, in einem Resonanzisolator eine Koaxialleitung mit einem dielektrischen Stoff asymmetrisch zu belasten. Es ist auch vorgeschlagen worden, eine solche Koaxialleitung mittels einer kurzgeschlossenen koaxialen Stichleitung der Länge (2 η + 1) A/8 zu belasten, so daß ein Strom in dem Mittelleiter der Stichleitung erhalten wird, der rechtwinklig und in zeitlicher Phasenverschiebung von 90° zu dem Strom in der Koaxialleitung ist. In dem obigen Ausdruck sowie in der gesamten Beschreibung ist X die Wellenlänge

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der elektromagnetischen Wellen, die durch den Resonanzisolator bei seinem Betrieb hindurchgehen sollen, und ist η entweder Null oder eine geeignete ganze Zahl.

Eine Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Resonanzisolators, der eine Übertragungsleitung aufweist, die zum Übertragen von elektromagnetischer Energie dient, welche einen solchen Schwingungstyp hat, daß ein Bereich des kreispolarisierten Hochfrequenzfeldes normalerweise nicht existiert.

Dies wird bei einem Resonanzisolator der einleitend beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Platte aus elektrischem Isolierstoff von dem dritten Leiter getragen wird und eine Öffnung aufweist, in der sich das Element aus magnetisch polarisierbarem Material befindet, daß die beiden genannten Leiterteile Drähte aufweisen, die von der Platte getragen werden und sich derart quer durch die Öffnung auf jeder Seite der Platte erstrecken, daß sie das Element in seiner Lage halten, und daß die übrigen Teile der Leiter von metallischen Flachleitern gebildet werden, die auf der Platte befestigt sind.

Weiterhin kann ein magnetisches System vorgesehen sein, das ein gleichförmiges magnetisierendes Feld an das Element anlegt, das ein Paar Polschuhe enthält, die von dem dritten Leiter getragen werden, derart, daß das Element zwischen ihnen liegt, und die derart bewegbar ausgebildet sind, daß die Stärke des an dieses Element angelegten gleichförmigen magnetisierenden Feldes eingestellt werden kann.

Zwei Kopplungselemente können von dem dritten Leiter getragen werden und jeweils relativ verschiebbar zu einem anderen der ersten beiden Leiter ausgebildet sein, derart, daß eine Kopplung veränderbarer Kapazität zwischen den Kopplungselementen und den Leitern entsteht, so daß die elektrische Länge jeder Übertragungsleitung veränderbar ist.

Die elektrische Länge des Teiles einer Übertragungsleitung, der zwischen dem Kreuzungspunkt der Teile und dem Eingangsanschluß liegt, kann im wesentlichen gleich der elektrischen Länge des Teiles der anderen Übertragungsleitung sein, der zwischen dem Kreuzungspunkt und dem Ausgangsanschluß liegt, und sich von der elektrischen Länge des Teiles des anderen Leiters, der zwischen dem Kreuzungspunkt und dem Eingangsanschluß liegt, um einen Betrag unterscheiden, der gleich einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen für elektromagnetische Wellen der Betriebsfrequenz ist.

Ein Resonanzisolator nach der Erfindung wird nun als Beispiel im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht des Resonanzisolators,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie H-II der Fig. 1 und

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teiles des in Fig. 1 und 2 dargestellten Resonanzisolators.

In dem dargestellten Resonanzisolator sind zwei Übertragungspfade vorhanden, die im wesentlichen gleiche Länge haben und beide zwischen die Eingangsanschlußklemme 1 und die Ausgangsanschlußklemme 2 geschaltet sind. Diese Anschlußklemmen erleichtern die Ankopplung des Isolators über Koaxialleitungsstrecken (nicht dargestellt) an eine Versorgungsquelle für elektromagnetische Wellen mit der Wellenlänge /, auf der er gemäß Konstruktion arbeiten soll, und an eine Belastung (nicht gezeigt). Jeder Übertragungspfad besteht aus zwei Leitern, von denen der eine, 3 oder 4 (Fig. 3), im folgenden als der innere Leiter bezeichnet ist. Diese inneren Leiter 3 und 4 besitzen Drahtteile 5 und 6, die einander im allgemeinen rechtwinklig kreuzen. Die Teile der Übertragungspfade, die sich zwischen dem Kreuzungspunkt der Drahtteile 5 und 6 und der Eingangsanschlußklemme 1 und der Ausgangsanschlußklemme 2 befinden, haben

ίο anordnungsgemäß solche elektrischen Längen, daß bei Lieferung einer elektromagnetischen Welle mit der Wellenlänge λ an die Eingangsanschlußklemme 1 die entstehenden elektrischen Ströme in den Teilen 5 und 6 um 90° gegeneinander phasenverschoben sind und ein Bereich eines kreispolarisierten Hochfrequenzfeldes in der Nähe des Kreuzungspunktes aufgebaut wird. Die entstehenden elektrischen Ströme, die über die beiden Übertragungspfade von der Ausgangsanschlußklemme 2 empfangen werden, sind gleich- phasig, wenn die elektrischen Längen dieser Pfade anordnungsgemäß im wesentlichen gleich sind. Eine Scheibe 7 aus Ferritmaterial ist zwischen den Drahtteilen 5 und 6 des inneren Leiters angeordnet, wobei die Kanten der Scheibe abgeschrägt sind.

Der Resonanzisolator hat ein hohles Gehäuse 8, das aus einem Gehäuseteil 9 mit einer muldenartigen Aussparung und einer Deckelplatte 10 besteht, die mit dem Gehäuseteil 9 verschraubt ist, so daß es die Aussparung umschließt und dadurch eine im allgemeinen rechteckige Kammer 11 in dem Gehäuse 8 bildet. Eine dünne Platte 12 aus elektrisch isolierendem Material ist in der Kammer 11 so angeordnet, daß sie im allgemeinen parallel zu der Bodenwand 13 des Gehäuseteiles 9 und der Deckelplatte 10 sowie in gleichem Abstand von diesen verläuft. Zu diesem Zweck sind die Enden 14 und 15 der Platte 12 zwischen Absätze 16 bzw. 17, die in der Kammer 11 an dem Gehäuseteil 9 ausgebildet sind, und Flansche 18 bzw. 19 an der Deckelplatte 10 gespannt, die in die Kammer vortreten. Auf diese Weise wird die Platte 12 fest in ihrer Lage gehalten.

Die Isolierstoffplatte 12, die aus Polytetrafluoräthylen besteht, trägt die Scheibe 7 aus Ferritmaterial und hat metallische Flachleiter 20, 21, 22 und 23 (Fig. 3) aus Kupfer auf ihren beiden Hauptflächen 24 und 25. Die metallischen Flachleiter 20 und 21, die sich auf der Oberfläche 24 der Platte 12 befinden, sind mit dem Drahtteil 5 verbunden und bilden mit diesem den inneren Leiter 3. In gleicher Weise bilden die metallischen Flachleiter 22 und 23, die sich auf der Oberfläche 25 der Platte 12 befinden, und der Drahtteil 6, der diese Muster miteinander verbindet, den inneren Leiter 4. Die beiden metallischen Flachleiter 20 und 21 oder 22 und 23 und der zugeordnete Drahtteil 5 oder 6 oder einer der inneren Leiter 3 oder 4 befinden sich auf entgegengesetzten Seiten der Platte 12. Die Drahtteile 5 und 6 bilden eine Gabel, um die Scheibe 7 aus Ferritmaterial an ihrem Platz in einer in der Platte 12 gebildeten Öffnung zu halten.

Anschlußteile 26 und 27 (Fig. 3) der metallischen Flachleiter 20, 21, 22 und 23 sind elektrisch mit den axialen Anschlußgliedern 28 und 29 der Eingangsund Ausgangsanschlußklemmen 1, 2 verbunden. Die Mantelanschlußglieder 30 und 31 dieser Anschlußklemmen 1 und 2 befinden ich in innigem elektrischem Kontakt mit dem Gehäuse 8 des Isolators, das somit den zweiten Leiter jedes Übertragungspfades bildet.

Für optimales Ansprechen des Isolators bei Lieferung von elektromagnetischen Wellen mit der Wellenlänge λ an die Eingangsanschlußklemme 1 ist es notwendig, daß die entstehenden elektrischen Ströme in den Drahtteilen 5 und 6 um 90° phasenverschoben sind. Es ist auch erforderlich, daß die an die Ausgangsanschlußklemme 2 gelieferten elektrischen Ströme gleichphasig sind. Um der erstgenannten Bedingung zu genügen, müssen sich die elektrischen Längen derjenigen Teile der inneren Leiter 3 und 4, die sich zwischen dem Anschlußteil 26 und dem Kreuzungspunkt befinden, um einen Betrag unterscheiden, der gleich irgendeinem ungeraden Vielfachen von einem Viertel der Betriebsswellenlänge λ ist. In dem vorliegenden Beispiel sind die metallisehen Flachleiter 20 und 22 so bemessen, daß dieser Betrag so nahe bei A/4 liegt, wie dies praktisch möglich ist. Um diesen Betrag genau auf den erforderlichen Wert bringen zu können, ist eine veränderbare Kapazitätskopplung zwischen dem Gehäuse 8 und dem metallischen Flachleiter 20 vorgesehen.

Um der zweiten obigen Bedingung zu genügen, müssen sich die elektrischen Längen derjenigen Teile der inneren Leiter 3 und 4, die sich zwischen dem Kreuzungspunkt und dem Anschlußteil 27 befinden, um einen Betrag unterscheiden, der gleich irgendeinem ungeraden Vielfachen von einem Viertel der Betriebswellenlänge λ ist, wobei auch jeder innere Leiter 3 und 4 effektiv die gleiche elektrische Länge haben muß. In dem vorliegenden Beipiel sind die metallischen Flachleiter 21 und 22 längenmäßig im wesentlichen gleich, wie dies auch bei den metallischen Flachleitern 20 und 23 der Fall ist. Außerdem ist eine veränderbare Kapazitätskopplung zwischen dem Gehäuse 8 und dem metallischen Flachleiter 23 vorgesehen, so daß der Unterschied zwischen den elektrischen Längen dieser Teile der inneren Leiter 3 und 4 auf XIA eingestellt werden kann.

Die obenerwähnten veränderbaren Kapazitätskopplungen bestehen aus silberplattierten Messingscheiben32 und 33 (Fig. 2), die von Gewindestäben 34 und 35 getragen werden. Diese greifen in Gewindebohrungen in der Deckelplatte 10 und in der Bodenwand 13 des Gehäuseteiles 9 ein und sind mit Verriegelungsmuttern 38 und 39 versehen. Die Scheiben 32 und 33 sind direkt über den Schenkelteilen 40 und 41 (Fig. 3) der metallischen Flachleiter 20 bzw. 23 angeordnet.

Das gleichförmige Magnetfeld, das zur Betätigung des Resonanzisolators erforderlich ist, wird von einem oder mehreren Permanentmagneten abhängig von der erforderlichen Feldstärke erzeugt. In dem vorliegenden Beispiel werden zwei Permanentmagnete 42 und 43 verwendet, die auf Fluß- oder Weichstahlpolschuhen 44 und 45 ruhen und durch magnetische Anziehung auf diesen gehalten werden. Die Polschuhe sind an der Deckelplatte 10 und an der Bodenwand 13 des Gehäuseteiles 9 angebracht. Blinde oder nicht durchgehende zylindrische Löcher sind in den Polschuhen 44 und 45 ausgebildet und verlaufen in das Gehäuse 8, so daß sie mit der Scheibe 7 aus Ferritmaterial koaxial sind. Zylindrische Stöpsel 48 und

49 aus Weich- oder Flußstahl sind anordnungsgemäß in diese Löcher geschraubt, so daß ihre Endflächen

50 und 51, die auch die Polflächen des magnetischen Systems sind, relativ bewegt werden können. Auf diese Weise kann die Stärke des Magnetfeldes zwischen den Flächen 50 und 51 so eingestellt werden, daß sich das Ferritmaterial der Scheibe 7 in einem Zustand ferromagnetischer Resonanz befindet, wenn elektromagnetische Wellen mit der Wellenlänge I durch den Isolator von der Eingangsanschlußklemme an die Ausgangsanschlußklemme übertragen werden. Die Magnete 42 und 43 sind von einem halbzylindrischen Messingdeckel 52 umschlossen, der mit den Polschuhen 44 und 45 verschraubt ist, und werden von einem Schaumgummistreifen 53, der an den Deckel geklebt ist, an ihrem Platz festgehalten.

Obgleich der oben beschriebene Resonanzisolator so entwickelt ist, daß er bei einer speziellen Frequenz arbeitet, kann er so angeordnet werden, daß er bei irgendeiner Frequenz innerhalb eines weiten Frequenzbereiches arbeitet. So ist eine Konstruktion dieses Resonanzisolators entwickelt worden, die bei einer Frequenz von etwa 2000 MHz arbeitet. Jedoch kann die Anordnung so getroffen werden, daß Funktion bei irgendeiner bestimmten Frequenz innerhalb des Bereiches von 1700 bis 2300MHz durch Einstellen der Stärke des gleichförmigen Magnetfeldes erfolgt, um den elektromagnetischen Wellen maximale Dämpfung zu geben, welche diese bestimmte Frequenz haben und durch den Isolator in der umgekehrten Richtung geschickt werden, und durch Einstellen der veränderbaren Kapazitätskopplungen erfolgt, um kleinstes Spannungsverhältnis der stehenden Wellen bei dieser bestimmten Frequenz herzustellen. Bei dieser Konstruktion des Resonanzisolators werden die Längen der längsten und kürzesten Teile des inneren Leiters angenähert gleich drei Achteln bzw. einem Achtel einer Wellenlänge bei der Frequenz 2000 MHz gemacht. Die Scheibe aus Ferritmaterial hat einen Durchmesser von 6,35 τη τη und eine Dicke von 3,5 mm und ist aus Magnesiummangan-Ferritaluminat hergestellt, das eine nominelle metallische Zusammensetzung von Mg₁₂Mn_016gAl_Oi4 Fe₁₆ hat. Ein anderes Ferritmaterial für die Scheibe ist Nickelzink-Ferritaluminat.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Resonanzisolator mit zwei langgestreckten Leitern, von denen sich Teile im allgemeinen rechtwinklig kreuzen, sowie mit einem Element aus magnetisch polarisierbarem Material, welches den gyromagnetischen Effekt bei der Arbeitsfrequenz zeigt und das zwischen den Teilen des Leiters angebracht ist und mit einem dritten Leiter, der von den beiden anderen Leitern isoliert ist und mit diesen zwei Doppelleitungen bildet, die sich jeweils zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß des Isolators erstrecken und solche elektrische Längen für die Teile, die zwischen dem Kreuzungspunkt und dem Eingangs- und Ausgangsanschluß liegen, haben, daß bei der Zuführung von elektromagnetischen Wellen mit der Arbeitsfrequenz an den Eingangsanschluß die entstehenden elektrischen Ströme in den genannten Teilen der Leiter im wesentlichen um 90° phasenverschoben sind und die entstehenden elektrischen Ströme, die an den Ausgangsanschluß geliefert werden, im wesentlichen in Phase sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte (12) aus elektrischem Isolierstoff von dem dritten Leiter (8) getragen wird und eine Öffnung aufweist, in der sich das Element (7) aus magnetisch polarisierbarem Material befindet, daß die beiden genannten Leiterteile (3 und 4) Drähte

(5 und 6) aufweisen, die von der Platte (12) getragen werden und sich derart quer durch die Öffnung auf jeder Seite der Platte erstrecken, daß sie das Element (7) in seiner Lage halten, und daß die übrigen Teile der Leiter von metallischen Flachleitern (20, 21, 22 und 23) gebildet werden, die auf der Platte befestigt sind.

2. Resonanzisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches System (42, 43, 44 und 45) vorgesehen ist, das ein gleichförmiges magnetisierendes Feld an das Element (7) anlegt, das ein Paar Polschuhe (44 und 45) enthält, die von dem dritten Leiter (8) getragen werden, derart, daß das Element (7) zwischen ihnen liegt, und die derart bewegbar ausgebildet sind, daß die Stärke des an dieses Element angelegten gleichförmigen magnetisierenden Feldes eingestellt werden kann.

3. Resonanzisolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kopplungselemente (32 und 33) von dem dritten Leiter (8) getragen werden und jeweils relativ verschiebbar zu einem anderen der ersten beiden Leiter (3 und 4) ausgebildet sind, derart, daß eine Kopplung veränderbarer Kapazität zwischen den Kopplungselementen und den Leitern entsteht, so daß die elektrische Länge jeder Übertragungsleitung veränderbar ist.

4. Resonanzisolator nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Länge des Teiles einer Übertragungsleitung, der zwischen dem Kreuzungspunkt der Teile (5 und 6) und dem Eingangsanschluß (1) liegt, im wesentlichen gleich der elektrischen Länge des Teiles der anderen Übertragungsleitung ist, der zwischen dem Kreuzungspunkt und dem Ausgangsanschluß (2) liegt, und sich von der elektrischen Länge des Teiles des anderen Leiters, der zwischen dem Kreuzungspunkt und dem Eingangsanschluß (1) liegt, um einen Betrag unterscheidet, der gleich einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen für elektromagnetische Wellen der Betriebsfrequenz ist.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1045 495.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen