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Regelbares reziprokes Dämpfungsglied für sehr kurze elektromagnetische
Wellen Die Erfindung bezieht sich auf ein regelbares, reziprokes Dämpfungsglied
für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einer rohrförmigen Wellenführung,
in deren Innerem in axialer Erstreckung Streifenform aufweisendes, vormagnetisiertes,
gyromagnetisches Material vorgesehen ist und bei dem der Grad der Dämpfung über
die Größe des das gyromagnetische Material durchsetzenden Gleichfeldes, das ein
außerhalb der Wellenführung angeordnetes Magnetsystem erzeugt, einstellbar ist.
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Bei Einrichtungen dieser Art wird von den dämpfenden Eigenschaften
gyromagnetischer Werkstoffe Gebrauch gemacht. Unter einem gyromagnetischen Werkstoff
sind hierbei ferro- bzw. ferrimagnetische Materialien zu verstehen. Die Streifen
aus gyromagnetischem Werkstoff, im folgenden kurz Ferritstreifen genannt, sind im
Innern der Wellenführung an Stellen angeordnet, an denen das magnetische Wechselfeld
der Welle eine linear polarisierte Komponente aufweist. Das die Ferritstreifen vormagnetisierende
Gleichfeld ist dagegen so ausgerichtet, daß es senkrecht auf dem magnetischen Wechselfeld
der Welle steht. Mit Hilfe des magnetischen Gleichfeldes können die wellendämpfenden
Eigenschaften der Ferritstreifen in weiten Grenzen geändert werden.
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In der Fig. 1 ist zur Veranschaulichung der charakteristische Verlauf
der Dämpfung a eines solchen Dämpfungsgliedes über der Gleichfeldstärke H für die
Kreisfrequenzen co" (»a und r)3 dargestellt. Die Dämpfung a nimmt, ausgehend von
der Gleichfeldstärke H = 0, zunächst ab (Bereich I), um sodann nach Durchlaufen
eines Minimums bei Annäherung an die gyromagnetische Resonanz stark anzusteigen
(Bereich 1I). Bei weiter zunehmender Gleichfeldstärke H (Bereich III) sinkt die
Dämpfung a wiederum auf einen Minimalwert ab. Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist,
ist die Dämpfung a in den Bereichen II und III sehr stark frequenzabhängig, weil
sich die gyromagnetische Resonanz des magnetischen Werkstoffes mit abnehmender Frequenz
gegen kleinere Gleichfeldstärken H hin verschiebt. Der Anwendungsbereich derartiger
Dämpfungsglieder ist aus diesem Grunde stark eingeschränkt. Zwar sind die Verhältnisse
im Bereich I günstiger, doch hat auch ein in diesem Gebiet betriebenes Dämpfungsglied
eine relativ schmalbandige Charakteristik, da seine durch das Dämpfungsminimum zwischen
dem Bereich I und dem Bereich II gegebene Grunddämpfung ebenfalls stark frequenzabhängig
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, den
Frequenzgang eines reziproken Dämpfungsgliedes der einleitend beschriebenen Art
in einem größeren Bereich wesentlich zu verbessern.
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Bei einem regelbaren reziproken Dämpfungsglied für sehr kurze elektromagnetische
Wellen, bestehend aus einer rohrförmigen Wellenführung, in deren Innerem in axialer
Erstreckung Streifenform aufweisendes, vormagnetisiertes, gyromagnetisches Material
vorgesehen ist und bei dem der Grad der Dämpfung über die Größe des das gyromagnetische
Material durchsetzenden Gleichfeldes, das ein außerhalb der Wellenführung angeordnetes
Magnetsystem erzeugt, einstellbar ist, wird erfindungsgemäß die Aufgabe dadurch
gelöst, daß das magnetische Wechselfeld der Welle und das magnetische Gleichfeld
unabhängig von der Regelung im Bereich des gyromagnetischen Materials wenigstens
annähernd parallel zueinander verlaufen.
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Es sind bereits regelbare, reziproke Dämpfungsglieder in Koaxialbauweise
bekannt, bei denen im Raum zwischen Innen- und Außenleiter Ferritmaterial angeordnet
ist, das von einem außen angelegten Magnetfeld senkrecht zur Leiterachse vormagnetisiert
wird. Die Regelung geschieht in der Weise, daß der das Magnetfeld erzeugende Permanentmagnet
relativ zum Koaxialleitungsabschnitt um dessen Achse drehbar ausgeführt ist. Bei
Anordnungen dieser Art ändert sich die Richtung des magnetischen Gleichfeldes relativ
zur Richtung des magnetischen Wechselfeldes in Abhängigkeit der Regelung. Sie unterscheiden
sich demnach vom Erfindungsgegenstand gerade hinsichtlich seiner wesentlichen Merkmale.
Bei
der Erfindung wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß sich bei einem für den Bereich
I ausgelegten einstellbaren Dämpfungsglied in vorteilhafter Weise gleichbleibend
gute breitbandige Eigenschaften über einen größeren Regelbereich erzielen lassen,
wenn es gelingt, die stark frequenzabhängige Dämpfung im Bereich des Dämpfungsminimums
zwischen den Bereichen I und II zu beseitigen.
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Wie theoretische Untersuchungen zeigen, beruhen die Dämpfungsverluste
im Bereich I (Fig. 1) im wesentlichen auf der sogenannten °natürlichen Resonanz,
während die Dämpfungsverluste in "den Bereichen II und III durch die gyromagnetische
Resonanz des gesättigten magnetischen Werkstoffes bedingt sind. Die magnetischen
Werkstoffe sind auch bei fehlendem magnetischen Gleichfeld in den Weißschen Bezirken
bis zur Sättigung magnetisiert, d. h., die Weißschen Bezirke haben ein magnetisches
Moment, das, bezogen auf die Volumeinheit; gleich der Sättigungsmagnetisierung des
Stoffes ist. Da die Weißschen Bezirke statistisch in den vorhandenen Vorzugsrichtungen
des Kristallgitters orientiert sind, erscheint der Werkstoff nach außen unmagnetisch.
Die Wirkung einer solchen kristallinen Vorzugsrichtung läßt sieh durch ein fiktives
Magnetfeld, das sogenannte Kristall-Anisotropiefeld, beschreiben, das parallel zur
Vorzugslage gerichtet ist. Wird nun durch eine Störung das magnetische Moment eines
Weißschen Bezirkes etwas aus der Vorzugslage ausgelenkt, so wirkt das Anisotropiefeld
rückstellend. Der Magnetisierungsvektor weicht senkrecht zur Richtung des rückstellenden
Anisotropiefeldes aus und beschreibt um dieses eine gedämpfte Präzessions-Bewegung.
In einem polykristallinen Medium, wie das ein gyromagnetischer Werkstoff praktisch
immer darstellt, sind die Kristalle beliebig orientiert und somit auch die Anisotropiefelder,
die den Vorzugsrichtungen der Kristalle zugeordnet sind. Wenn sich deshalb eine
linear polarisierte, hochfrequente Welle in einem gyromagnetischen Werkstoff ausbreitet,
sind immer Be= reiche vorhanden, in denen, das Anisotropiefeld senkrecht zum magnetischen
Vektor der Welle gerichtet ist. Dies bedeutet aber, daß in- diesen Bezirken die
Präzessionsbewegung angeregt wird. Wenn die Frequenz der Welle gleich der Eigenfrequenz
der Präzessionsbewegung ist, wird wegen der gyromagnetischen Resonanz , die Dämpfung
maximal. Die Resonanz tritt nicht bei einer Frequenz auf, sondern ist verhältnismäßig
breitbandig. Dies ist darauf zurückzuführen, daß nicht nur die Kristallanisotropie;
sondern auch entmagnetisierende Felder, die durch freie magnetische Pole erzeugt
; werden, die Resonanz beeinflussen. Wird an den gyromagnetischen Werkstoff ein
äußeres magnetisches Gleichfeld angelegt, das den Werkstoff nicht magnetisch sättigt,
so verschiebt sich die natürliche Resonanz zu tieferen Frequenzen, weil die entmagnetisierenden
Felder geschwächt werden. Entsprechend verringert sich die Dämpfung für Frequenzen;
.die beim Null-Feld im Bereich der Resonanz liegen.
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Anders sind die Verhältnisse in den Bereichen II und III (Fig. 1).
Hier ist der gyromagnetische Werkstoff bis zur Sättigung magnetisiert; d. h. der
Werkstoff wirkt wie ein einziger WeiBscher Bezirk, der parallel zum magnetischen
Gleichfeld ausgerichtet ist. Wenn daher das magnetische Moment durch eine Störung
aus der Vorzugsrichtung ausgelenkt wird, beschreibt es in diesem. Falle eine gedämpfte
Präzessionsbewegung um die Richtung des magnetischen Gleichfeldes. Aus diesem Grunde
verschiebt sich hier die gyromagnetische Resonanz mit zunehmender Gleichfeldstärke
H gegen höhere Frequenzen.
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Die durch das Auftreten der gyromagnetischen Resonanz des magnetisch
gesättigten Werkstoffs verursachten Dämpfungsverluste überlagern sich im Gebiet
zwischen den Bereichen I und II den von der natürlichen Resonanz herrührenden Verlusten
und sind die eigentliche Ursache der Frequenzabhängigkeit der Dämpfurig in diesem
Gebiet.
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Beim Erfindungsgegenstand können diese stark frequenzabhängigen Verluste
praktisch nicht auftreten, weil das magnetische Gleichfeld nunmehr parallel zum
magnetischen Wechselfeld der Welle verläuft, d. h. keine Präzessionsbewegung in
dem magnetisch gesättigten Werkstoff angeregt werden kann. Abgesehen von der breitbandigen
Charakteristik weist das erfindungsgemäße Dämpfungsglied eine außerordentlich niedrige
Grunddämpfung auf und benötigt nur einen geringen Aufwand für das Magnetfeld. Es
sind zwar reziproke einstellbare Dämpfungsglieder für die Koaxialleitungstechnik
bekannt, bei denen der Innenleiter von einem Hohlzylinder aus magnetisch weichem
Ferrit umgeben ist und bei denen das magnetische Wechselfeld der Welle ebenfalls
parallel zu dem den Ferritzylinder magnetisierenden Gleichfeld verläuft. Der Ferritzylinder
benötigt hierbei eine circumferrentiale Magnetisierung, die entweder durch einen
im Innenleiter des Koaxial leitungsabschnitts fließenden Gleichstrom oder aber durch
eine gleichstromdurchflossene, den Ferrit= zylinder umschließende Ringspule erzeugt
wird. Anordnungen dieser Art weisen einen großen Reflexionsfaktor auf, der ihre
Breitbandigkeit stark beeinträchtigt. Hinzu kommt, daß eine den Ferritzylinder umgebende
Ringspule das Reflexionsverhalten der Anordnung noch zusätzlich verschlechtert,
weil die durch die Windungen leitend gewordenen Stirnseiten des Ferritzylinders
die ankommende elektromagnetische Welle teilweise kurzschließen. Auch die erstgenannte
Möglichkeit der Erzeugung der circumferrentialen Magnetisierung stößt in der Praxis
auf erhebliche Schwierigkeiten, weil im Innenleiter des Koaxialleitungsabschnitts
immerhin ein Gleichstrom in der Größenordnung > 10 Amp. fließen muß; wenn sich das
erforderliche magnetische Gleichfeld im Ferritzylinder aufbauen soll. Ein weiterer
grundlegender Nachteil besteht bei der bekannten Anordnung darin, daß hierbei das
erforderliche magnetische Gleichfeld nur auf elektromagnetischem Wege erzeugt werden
kann.
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An Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt
sind, soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet
Fig. 1 das bereits einleitend erwähnte Diagramm der Dämpfung a in Abhängigkeit von
der magnetischen Gleichfeldstärke H mit den Kreisfrequenzen aol, a)2 und cv3 als
Parameter für ein bekanntes reziprokes Dämpfungsglied, Fig. 2 eine Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes für die koaxiale Leitungstechnik, Fig. 3 eine Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes in Rechteckhohlleiterbauweise, Fig. 4 eine weitere Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes in Rechteckhohlleiterbauweise, Fig. 5 ein Dämpfungsglied
in Rechteckhohlleiterbauweise nach der Erfindung, bei dem die Vormagnetisierung
des gyromagnetischen Werkstoffs durch ein
alternierendes magnetisches
Gleichfeld vorgenommen ist, Fig. 6 ein Diagramm der Dämpfung a in Abhängigkeit von
der magnetischen Gleichfeldstärke H mit den Kreisfrequenzen c)1, co, und a)3 als
Parameter, entsprechend der Fig. 1 für ein reziprokes Dämpfungsglied nach der Erfindung.
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Das Dämpfungsglied in Koaxialbauweise nach der Fig. 2 besteht aus
einem Koaxialleitungsabschnitt mit Außenleiter 1 und Innenleiter 2, in dessen Innern
in axialer Erstreckung zwei Ferritstreifen 3 vorgesehen sind, die auf einander gegenüberliegenden
Seiten unmittelbar an der Wandung des Außenleiters 1 angeordnet sind. Der Koaxialleitungsabschnitt
ist auf beiden Seiten von Permanentmagneten 4 begrenzt, die mit Hilfe von
Weicheisenplatten 5 und 6 zu einem U-förmigen Magnetsystem vereinigt sind. Wie aus
der Fig.2 hervorgeht, ist das magnetische Gleichfeld (Pfeile) senkrecht zu der die
beiden Ferritstreifen 3 miteinander bildenden Ebene ausgerichtet. Damit ist erreicht,
daß die kreisförmigen Feldlinien des magnetischen Wechselfeldes der Welle (gestrichelter
Kreis) innerhalb der Ferritstreifen 3 wenigstens annähernd parallel zum magnetischen
Gleichfeld verlaufen. Mittels einer den Koaxialleitungsabschnitt mit dem U-förmigen
Magnetsystem verbindenden mechanischen Vorrichtung, die in der Fig. 2 nicht näher
dargestellt ist, können die Permanentmagnete 4 relativ zum Koaxialleitungsabschnitt,
und zwar senkrecht zu dessen Achse verschoben werden. Auf diese Weise kann die Vormagnetisierung
der Ferritstreifen 3 von einem Maximalwert bis zu dem Wert Null beliebig eingestellt
werden. Die Ferritstreifen 3 sind an ihren Enden 7 gestuft. Die Stufung dient einer
sorgfältigen Anpassung des Dämpfungsgliedes an die sich auf beiden Seiten anschließenden
ferritfreien Koaxialleitungsabschnitte.
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Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung nach der Fig. 3 ist ein Ferritstreifen
8 in der Mitte eines Rechteckhohlleiterabschnitts 9 vorgesehen, der unmittelbar
an der Wandung der oberen Hohlleiterbreitseite angeordnet ist. In diesem Bereich
des Rechteckhohlleiterabschnitts 9 verlaufen die Feldlinien des magnetischen Wechselfeldes
der im Hohlleiterabschnitt 9 geführten Welle (Hlo-Wellentyp) parallel zur Hohlleiterbreitseite
und senkrecht zur Hohlleiterachse. Das hierzu parallel ausgerichtete magnetische
Gleichfeld ist wiederum durch ein U-förmiges Permanentmagnetsystem 10 erzeugt, dessen
Polschuhe 11 in die Hohlleiterwandung eingelassen sind und den Ferritstreifen 8
im Hohlleiterinnern auf beiden Seiten begrenzen. Die Umlenkung des magnetischen
Flusses in eine zu den Hohlleiterbreitseiten parallel verlaufende Ebene ist durch
eine keilförmige Profilgebung der Polschuhe 11 erleichtert. Zweckmäßigerweise
wird der Rechteckhohlleiterabschnitt auf galvanoplastischem Wege hergestellt, und
zwar so, daß die Polschuhe 11
bei seiner Herstellung gleich in die Hohlleiterwandung
einwachsen. Die Größe des magnetischen Gleichfeldes kann in üblicher Weise durch
einen zwischen den Schenkeln des U-förmigen Magnetsystems 10 vorgesehenen verstellbaren
magnetischen Nebenschluß geändert werden.
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Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in Rechteckhohlleiterbauweise
ist in der Fig. 4 gezeigt. Hierbei ist der Ferritstreifen 8 im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
nach der Fig. 3 auf beiden Seiten von einem Streifen 12 aus magnetischem Werkstoff
mit hohem spezifischem Widerstand und gegebener magnetischer Vorzugsrichtung begrenzt.
Die magnetische Vorzugsrichtung der Streifen 12 (Pfeile) ist so gewählt, daß der
Ferritstreifen 8 wiederum parallel zu den Hohlleiterbreitseiten und senkrecht zur
Hohlleiterachse magnetisiert ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Vormagnetisierung
des Ferritstreifens 8 durch ein zusätzliches veränderbares magnetisches Gleichfeld
beeinflußt werden. Dieses magnetische Gleichfeld kann in bekannter Weise durch ein
Permanentmagnetsystem oder durch einen Elektromagneten erzeugt sein. Selbstverständlich
können auch bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und 3 an Stelle der Permanentmagnetsysteme
gleichfalls Elektromagnete vorgesehen sein.
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Die Anordnung eines Ferritstreifens in der Mitte des Rechteckhohlleiteranschnitts
ist für den Erfindungsgegenstand keineswegs zwingend. In der Fig. 5 ist beispielsweise
ein Dämpfungsglied in Rechteckhohlleiterbauweise dargestellt, bei dem der Ferritstreifen
8 unmittelbar an einer Schmalseite des Rechteckhohlleiterabschnitts 9 angeordnet
ist. In der Nähe der Hohlleiterschmalseiten verlaufen die Feldlinien des magnetischen
Wechselfeldes (H"-Wellentyp) parallel zu den Hohlleiterschmalseiten und parallel
zur Hohlleiterachse. Das magnetische Gleichfeld kann hier in vorteilhafter Weise
durch eine sich längs der betreffenden Hohlleiterschmalseite erstreckende Elementarmagnetenkette
13 erzeugt werden, bei der die einzelnen Elementarmagnete mit alternierender Polarität
(Pfeile) aufeinanderfolgen. Das bei dieser Anordnung resultierende, alternierende
magnetische Gleichfeld greift durch die Hohlleiterwandung hindurch auf den Ferritstreifen
8 über und verläuft im Ferritstreifen 8 wenigstens annähernd parallel zum magnetischen
Wechselfeld der Welle. Die Größe des alternierenden magnetischen Gleichfeldes kann
bei dieser Anordnung z. B. in einfacher Weise durch Verschieben der Elementarmagnetenkette
13 parallel zu den Hohlleiterbreitseiten und senkrecht zur Hohlleiterachse in weiten
Grenzen geändert werden.
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An Stelle eines Ferritstreifens 8 können die Ausführungsbeispiele
nach den Fig. 3, 4 und 5 auch mit zwei Ferritstreifen ausgerüstet sein, die jeweils
auf einander gegenüberliegenden Hohlleiterseiten angeordnet sind. Das Magnetsystem
ist dabei der Symmetrie der Anordnung entsprechend zu ergänzen. Auch können die
Enden der Ferritstreifen entsprechend den Enden 7 der Ferritstreifen 3 in den Fig.
2 gestuft ausgeführt sein.
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In der Fig. 6 ist die an einem nach der Erfindung ausgebildeten Versuchsmuster
ermittelte Dämpfung a über der magnetischen Gleichfeldstärke H aufgetragen. Der
verwendete Maßstab ist der gleiche wie beim Diagramm nach der Fig. 1 für ein bekanntes
Dämpfungsglied. Auch sind die einzelnen Dämpfungskurven bei den gleichen Kreisfrequenzen
col, 0o2 und a)3 aufgenommen. Ein Vergleich der beiden Fig. 1 und 6 zeigt, daß die
Frequenzabhängigkeit der Dämpfung a in einem großen Regelbereich einschließlich
des Bereiches minimaler Dämpfung nur noch sehr gering ist. Auch ist die Grunddämpfung
beim erfindungsgemäßen Dämpfungsglied wesentlich kleiner geworden. Innerhalb einer
relativen Frequenzbandbreite von über 30 0/0 konnte beim Versuchsmuster ein Verhältnis
von maximaler zu minimaler Dämpfung _> 13 db erzielt werden.