DE1157276B - Nichtreziproke Mikrowelleneinrichtungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21a⁴ 74

INTERNATIONALE KL.

HOIp; H03h

W28289IXd/21a⁴

ANMELDETAG: 1. AUGUST 1960

BEKANNTMACHUNG
DERANMELDUNG
UND AUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 14. NOVEMBER 1963

Die Erfindung betrifft elektromagnetische Wellenübertragungssysteme, insbesondere Abzweigeinrichtungen mit nichtreziproken Übertragungseigenschaften, die in derartigen Systemen verwendet werden.

Zahlreiche bekannte Mikrowelleneinrichtungen, deren Arbeitsweise auf gyromagnetischen Vorgängen beruht, zeigen praktische Arbeitsgrenzen, wenn man versucht, sie bei höheren Mikrowellenfrequenzen zu benutzen. Zum Beispiel erfordern Resonanz- und Feldverschiebungsisolatoren ein zu hohes Vormagnetisierungsfeld, da bei solchen Einrichtungen die Stärke des Vormagnetisierungsfeldes proportional der Arbeitsfrequenz ist. Isolatoren, die auf Rotationseffekten beruhen, sind Änderungen der Dämpfung durch Frequenz- oder Temperaturänderungen unterworfen. Bei einer bekannten Anordnung dieser Art sind zwei Rechteckhohlleiter um 45° gegeneinander versetzt und über einen kreisförmigen Hohlleiter miteinander verbunden, der einen Faraday-Rotator enthält. Die Drehung der Polarisationsebene der Wellen erfolgt dabei im wesentlichen am Anfang der Übertragung durch den kreisförmigen Hohlleiter. Ebenso werden andere Mikrowellenbauteile, welche auf einem der obenerwähnten Effekte beruhen, in gleicher Weise schädlich beeinflußt.

Es ist auch bereits eine Tandemanordnung von Faraday-Rotatoren bekannt, mit deren Hilfe der ausnutzbare Temperatur- und Frequenzbereich vergrößert werden kann.

Eine bekannte Übertragungseinrichtung mit einer nichtreziproken Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle besteht aus einem verjüngten Stift aus gyromagnetischem Material, der axial in einem leitend begrenzten Leiter angeordnet ist, dessen Querschnittsabmessungen sich von Querschnitt zu Querschnitt entlang der Längsachse des Leiters ändern. Diese Einrichtung ist besonders dadurch interessant, daß eine an einem Ende eingeführte, linear polarisierte Welle in der Mitte der Anordnung als zirkulär polarisierte Welle auftritt. Weiterhin arbeitet die Einrichtung mit verhältnismäßig kleinen Vormagnetisierungsfeldern und ist von Hause aus breitbandig. Die ungewöhnlichen Eigenschaften einer Hälfte der Einrichtung werden ausgenutzt, um eine nichtreziproke Polarisationsdrehung ähnlich dem Faraday-Effekt hervorzubringen.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß in der Mitte einer abgeschrägten Anordnung ähnlich der oben beschriebenen auch andere Polarisationen erzeugt werden können. Insbesondere wurde festgestellt, daß eine lineare Polarisation erzeugt werden kann, die um 45° gegen die der einfallenden Nichtreziproke Mikrowelleneinrichtungen

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. August 1959 (Nr. 831416)

Jerald Aubrey Weiss, Summit, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Wellenenergie geneigt ist und deren Neigungsrichtung eine Funktion der Fortpflanzungsrichtung ist.

Dadurch wird die Schaffung einer ganz neuen Art von Mikrowellenbauteilen möglich. Die Erfindung geht dazu aus von einem elektromagnetischen Wellenübertragungssystem für die Fortpflanzung von Wellenenergie in einem gegebenen Frequenzband, mit einem ersten Wellenweg, der nur in einer ersten Richtung polarisierte Wellenenergie mit einer ersten Fortpflanzungskonstanten führt, und mit einem zweiten Wellenweg, der in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung polarisierte Wellenenergie mit einer zweiten Fortpflanzungskonstanten führt, sowie mit Kopplungsmitteln, welche Wellenenergie von dem ersten Weg in den zweiten Weg einkoppeln und ein Element aus gyromagnetischem Material umfassen, das in der Richtung der Wellenfortpflanzung vormagnetisiert ist und sich zwischen den beiden Wellenwegen erstreckt. Sie empfiehlt dazu, daß sich die Fortpflanzungskonstanten des Übertragungssystems für beide Polarisationsrichtungen im Bereich eines Längsintervalls des Systems ändern, welches sich längs des Elements aus gyromagnetischem Material erstreckt und kürzer ist als eine halbe Wellenlänge bei der höchsten Frequenz der Wellenenergie in dem Band, daß die beiden Wellenwege zusammen mit dem gyromagnetischen Element so bemessen sind, daß sie eine linear polarisierte Welle in dem Intervall zwischen den Wellenwegen induzieren, deren Polarisationsrichtung unter einem Winkel von 45° gegen die Polarisationsrichtungen der Wellenenergie in dem

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ersten und dem zweiten Wellenweg geneigt ist, und wesentlichen die Hälfte der großen Abmessung bedaß die Änderung der Polarisationsrichtung um 45° trägt. Bei dieser Bemessung führen die Leiter die in dem Intervall im wesentlichen in der Mitte zwischen Grundform der Welle, bei der die elektrischen Kraftdem ersten und zweiten Wellenweg auftritt. linien sich parallel zu den kleinen Wänden erstrecken,

Derartige Mikrowelleneinrichtungen können bei 5 sie sind jedoch für eine Wellenenergie gesperrt, deren hohen Frequenzen arbeiten, kommen mit kleinen elektrisches Feld parallel zu den großen Wänden Vormagnetisierungsfeldern aus und sind von Hause liegt.

breitbandig. Bei der in Fig. 1 dargestellten besonderen Aus-

Durch Ankopplung im Gebiet der linearen Polarisa- führung des tetraederförmigen Wellenleiters liegen die tion können nichtreziproke Richteffekte erzielt werden. _i0 Leiter 11, 12 und 13 auf einer gemeinsamen Längs-Insbesondere können durch Koppler im Gebiet der achse, wobei der Leiter 13 um diese Achse um 90° geneigten Polarisation Isolatoren und Zirkulatoren zum Leiter 12 gedreht ist. Der Querschnitt A-A des mit drei und vier Durchgängen geschaffen werden. tetraederförmigen Wellenleiters 11, der in Fig. 1A

Diese und andere Merkmale und Vorteile der dargestellt ist, ist rechteckig mit waagerechter großer Erfindung werden an Hand verschiedener Ausführungs- i₅ Abmessung und geht in den symmetrischen Querbeispiele im folgenden in Verbindung mit den Zeich- schnitt B-B über, der in Fig. 1B dargestellt ist. Der nungen näher beschrieben. Querschnitt B-B ist quadratisch. Vom Querschnitt

. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des tetra- B-B geht der Wellenleiter 11 in den rechteckigen ederförmigen abgeschrägten Wellenleiters; Querschnitt C-C über, der in Fig. IC dargestellt ist

Fig. IA bis IC zeigen verschiedene Querschnitte ₂o und dessen große Abmessung senkrecht liegt, des Wellenleiters der Fig. 1; Im Gebiet des abgeschrägten Teils 11 erstreckt

Fig. 2 zeigt zur Erläuterung die Polarisationsände- sich entlang der Achse ein zylindrischer Stab aus rung einer linear polarisierten Welle, die durch das gyromagnetischem Material 14, der an den Enden mit gyromagnetische Material erzeugt wird; Hilfe der dielektrischen Träger 15 und 16 geeignet

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des stumpfen 25 gehalten wird. Der Ausdruck »gyromagnetisches Wellenleiterstoßes einer abgeänderten Form des tetra- Material« wird hier in seinem gebräuchlichen Sinn ederförmigen abgeschrägten Wellenleiterteils; verwendet. Er bezeichnet die Klasse von magne-

Fig. 4 zeigt zur Erläuterung die Natur der Wellen- tischem, polarisierbarem Material, das nicht gepaarte energie in verschiedenen Gebieten des stumpfen Spinnsysteme aufweist, die Teile seiner Atome um-Wellenleiterstoßes der Fig. 3; ₃₀ fassen, welche durch ein äußeres, polarisierendes

Fig. 4 A bis 4 E zeigen zur Erläuterung die Polari- Magnetfeld ausgerichtet werden können und welche sation der Wellenenergie in den verschiedenen Ge- eine bedeutende Präzessionsbewegung bei einer bieten des stumpfen Wellenleiterstoßes der Fig. 4; Frequenz in dem von der Erfindung erfaßten Frequenz-

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines band unter dem kombinierten Einfluß des Polari-Isolators, bei dem der tetraederförmige abgeschrägte 35 sierungsfeldes und einer senkrecht gerichteten, sich Wellenleiterteil benutzt wird; ändernden magnetischen Feldkomponente zeigen.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht des tetra- Diese Präzessionsbewegung ist dadurch gekennederförmigen Wellenleiterteils, der als Zirkulator mit zeichnet, daß sie ein Winkelmoment und ein magnedrei Durchgängen geschaltet ist; tisches Moment aufweist. Typisch für derartige

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht von zwei 40 Materialien sind ionisierte Gase, paramagnetische tetraederförmigen Wellenleiterteilen, die als Zirkulator Materialien und ferromagnetische Materialien, wobei mit vier Durchgängen geschaltet und benutzt werden; die letzteren die Spinelle, wie Magnesium-Aluminium-Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines tetra- ferrit, Aluminium-Zinkferrit, und die granatartigen ederförmigen Wellenleiterteils, der als Zirkulator mit Materialien, wie Yttrium-Eisengranat, umfassen, vier Durchgängen geschaltet ist; 45 Der Stab 14 ist durch ein konstantes, polarisierendes

Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Magnetfeld mit einer noch zu beschreibenden Stärke stumpfen Stoßes, bei dem koaxiale Kabel benutzt vormagnetisiert. Wie in Fig. I dargestellt, wird dieses werden; Feld in Längsrichtung angelegt, d. h. in der Fort-

Fig. 10 zeigt zur Erläuterung die Feldform an dem pflanzungsrichtung der Wellenenergie im Leiter 11, stumpfen Stoß der Fig. 9. 50 es kann von außen in bekannter Weise angelegt

Die Grundlage der verschiedenen Ausführungen der werden, oder der Stab 14 kann permanent magneti-Erfindung bildet der sogenannte tetraederförmige siert sein.

Wellenleiterteil 11, der in Fig. 1 zwischen den beiden Bevor mit der eingehenden Untersuchung der

gekreuzten rechteckigen Wellenleitern 12 und 13 an- Arbeitsweise der Wellenleiterbauteile fortgefahren geordnet ist. Der Wellenleiter 11 geht auf seiner Länge 55 wird, bei denen der tetraederförmige Wellenleiter gleichmäßig und allmählich von einem rechteckigen, benutzt wird, ist es zweckmäßig, die Arbeitsweise des querliegenden Querschnitt im Leiter 12, dessen große tetraederförmigen Wellenleiters selbst voll zu verAbmessung wagerecht liegt, in einem rechteckigen stehen. Es soll eine Grundwellenform betrachtet Querschnitt des Leiters 13 über, dessen große Ab- werden, die an den Leiter 12 angelegt wird, welcher messung senkrecht liegt. Der Name »tetraederförmig« 60 für die Erklärung in dem in Fig. 1 dargestellten beruht auf der Tatsache, daß durch Verbinden der x-y-z-Koordinatensystem angeordnet wird. Die elek-Seiten der beiden gekreuzten Leiter 12 und 13 in der trischen Feldvektoren sind in der x-Richtung polaridargestellten Weise der entstehende Übergangsteil 11 siert, wie es durch den Vektor E_x dargestellt wird. Da die Form eines doppelt abgestumpften Tetraeders hat. der Wellenleiter in der x-Richtung kleiner als eine Die Leiter 12 und 13 sind so bemessen, daß sie eine 65 halbe Wellenlänge ist, wie in Fig. IA angegeben ist, große innere Abmessung aufweisen, die gerade etwas ist der Leiter 12 nicht in der Lage, Wellenenergie, geringer als eine Wellenlänge der fortgeleiteten Wellen- die in der j-Richtung polarisiert ist, zu führen, energie ist, ferner eine kleine Abmessung, die im Bei NichtVorhandensein einer Kopplungseinrichtung

zwischen der χ- und der j-Richtung (z. B. eines magnetisierten, gyromagnetischen Stabs) hat_ die Wellenenergie die Tendenz, sich entlang des Übergangsleiters 11 in der r-Richtung fortzupflanzen, bis die Abmessung y des Leiters so weit abgenommen hat, daß sie geringer als die Grenzabmessung ist, an welcher Stelle die Energie zurück zum Leiter 12 reflektiert wird. Bei Vorhandensein des polarisierten Elements 14 wird die Energie jedoch aus der angelegten Welle, welche in der x-Richtung polarisiert ist, in eine Welle gekoppelt, die in j-Richtung polarisiert ist. Die durch das Element 14 hervorgebrachte Kopplung kann durch die Erkenntnis erklärt werden, daß das gyromagnetische Material des Elements 14 nicht gepaarte, atomische Spins enthält, welche sich mit dem angelegten Feld H₀ auszurichten versuchen. Diese Spins weisen ein zugehöriges magnetisches Moment auf, das zum Präzedieren um die Linien des Vormagnetisierungsfeldes veranlaßt werden kann, wobei ein im wesentlichen konstantes Moment in Richtung des angelegten Vormagnetisierungsfeldes bleibt und gleichzeitig eine Momentkomponente entsteht, welche sich in einer zur Feldrichtung senkrechten Ebene drehen kann. Wenn somit dem Moment ein hin- und hergehendes hochfrequentes, magnetisches Feld von elektromagnetischer Wellenenergie aufgedrückt wird, beginnt das Moment in der bevorzugten Winkelrichtung zu präzedieren. Die Wirkung dieser Präzession besteht darin, ein hin- und hergehendes Feld im rechten Winkel im Raum zu dem angelegten Feld zu erzeugen, das zeitlich gegen das angelegte Feld verschoben ist.

Wenn somit die Welle E_x an den tetraederförmigen Wellenleiterteil angelegt wird, in dem sich der Stab 14 befindet, besteht die Tendenz, daß eine Komponente im rechten Winkel zu E_x induziert wird. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, wo E_x das aufgedrückte elektrische Feld und E_y das induzierte elektrische Feld darstellt. Wegen der Raum- und Phasendifferenzen zwischen E_x und Ey nimmt das resultierende Feld im allgemeinen eine elliptische Polarisation an, die durch die Ellipse 21 dargestellt wird. Wenn auch die Wirkung des Vorhandenseins des gyromagnetischen Stabs darin besteht, eine Komponente E_y zu induzieren, wird diese Komponente doch nicht in der Lage sein, sich unabhängig in dem tetraederförmigen Leiter fortzupflanzen, bis die elektrische Abmessung des Leiters in x-Richtung größer als etwa die Hälfte einer Wellenlänge ist. Dies wird im allgemeinen in einigem Abstand von dem Querschnitt A-A entlang des Leiters 11 eintreten. Es sei bemerkt, daß, während die in j-Richtung polarisierte Wellenenergie nicht in der Lage ist, sich über eine Strecke des tetraederförmigen Wellenleiterteils fortzupflanzen, es trotzdem zweckmäßig ist, daß sich das gyromagnetische Material in das Gebiet erstreckt, in dem E_y gesperrt ist. Hierdurch werden die örtlichen hochfrequenten Randfelder, welche durch die Unstetigkeit am Ende des Stabes 14 erzeugt werden, im Gebiet des Wellenweges, in dem beide polarisierten Wellen geführt werden können, auf vernachlässigbare Amplituden herabgedrückt.

Wenn sich die Wellenenergie in z-Richtung fortpflanzt, entsteht ein konstanter Energieübergang von der Polarisation von E_x zur Polarisation E_y, bis schließlich im wesentlichen die gesamte Energie durch den Leiter 13 austritt, und zwar polarisiert in der j-Richtung, die durch den Vektor E_y in Fig. 1 dargestellt ist. Von besonderem Interesse ist jedoch die Natur der Wellenform im Gebiet der Mitte des Leiters 11, da die Feldform in diesem Gebiet die Anwendungen bestimmt, die von dem tetraederförmigen Wellenleiter gemacht werden können.

Der tetraederförmige Übergang und seine verschiedenen Formen können im allgemeinen folgendermaßen gekennzeichnet werden:

1. Ein Übergang zwischen zwei Übertragungsleitungen, welche von der gleichen Art sind und nur eine einzige Wellenform fortpflanzen können, die eine einzige Polarisation aufweist, und welche so orientiert sind, daß die Polarisationsrichtungen der sich fortpflanzenden Wellenformen in den beidenWellenwegen aufeinander senkrecht stehen.

2. Der Übergang besitzt die Symmetrie der geometrischen Punktgruppe D_2d, die durch G. Herzberg in »Infrared and Raman Spectra« auf S. 8 definiert ist.

3. Das gyromagnetische Medium (z. B. Ferrit, magnetischer Granat, parametrisches Material oder Plasma) ist durch ein konstantes magnetisches Feld in z-Richtung magnetisiert (Fortpflanzungsrichtung).

Im Fall des Ferrits oder des Granats ist es zweckmäßig, das Material in Form eines Stabes zu haben, der symmetrisch entlang der Achse angeordnet ist, jedoch ist dies nur eine der zahlreichen möglichen Ausführungen. Zum Beispiel kann im Fall eines Plasmas das Medium den Leiter in der Nähe der Verbindung vollständig ausfüllen.

Für die Untersuchung wird eine spezielle oder degenerierte Form des tetraederförmigen Wellenleiters betrachtet. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, besteht diese Form aus zwei aneinanderstoßenden, rechteckigen Wellenleitern 31 und 32, die auf einer gemeinsamen Längsachse liegen und die zueinander um 90° gedreht sind, so daß sie kreuzpolarisiert sind. Die Abmessungen der Leiter sind so bemessen, daß sie in der Grundwellenform betrieben werden, in der die elektrischen Kraftlinien sich senkrecht zu den großen Leiterwänden erstrecken. Ein Element aus gyromagnetischem Material 33 ist symmetrisch an der Verbindung der beiden Wellenleiter angeordnet und erstreckt sich in jeden Leiter so weit, daß er mit den Strahlungsfeldern der beiden Leiter in Wechselwirkung tritt. Die in Fig. 3 dargestellte Form ist eine spezielle Form der tetraederförmigen Anordnung der Fig. 1, bei der die Längsabmessung des Übergangsteils 11 zu Null reduziert wird.

Die Lösung der Zerstreuungsprobleme für die in Fig. 3 dargestellte Art der Verbindung ist gegeben, wenn man ein vereinfachtes Modell benutzt, in dem

1. die Eingangs- und Ausgangsleiter durch gleichmäßige anisotropische Media dargestellt sind;

2. der Übergang zwischen den beiden senkrecht zueinander stehenden Polarisationen in der Ebene z = 0 stattfindet (an dem stumpfen Stoß) ;

3. die Strahlung die Form ebener Wellen hat;

4. am Verbindungspunkt ζ = 0 die hochfrequenten, elektrischen und magnetischen Felder stetig sind;

5. das Vorhandensein des gyromagnetischen Materials dadurch dargestellt wird, daß den Media eine magnetische Permeabilität in der Form des Polderschen Tensors für Längsmagnetisierungen zugeordnet wird (s. »On The Theory of Ferromagnetic Resonance« von D. Polder, Philosophical Magazine, Bd. 40, 1949, S. 99).

Eine Untersuchung des tetraederförmigen Wellenleiters beginnt mit den Maxwellschen Gleichungen:

dt

dt

(D

(2) bei einer Winkelfrequenz ω ist, können die Feldgleichungen gelöst werden. Die Lösung liefert die Fortpflanzungskonstanten und die Polarisationszustände der beiden normalen Wellenformen, die durch 5 γ+ und γ— angegeben sind und die an Hand der magnetischen Parameter μ und Ic, den dielektrischen Koeffizienten B_x und e_y und der Winkelfrequenz gegeben sind als

wobei

E der elektrische Feldvektor der elektromagnetischen Welle,

H der magnetische Feldvektor der elektromagnetischen Welle,

c die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum, B die magnetische Induktion und D die elektrische Verschiebung ist.

Wenn man μ H an Stelle von B und ε E an Stelle = ω² [μ ε ±

und δ = -z-

Rot E = - ^-
c

Es sei bemerkt, daß die effektiven Werte von μ und k selbst frequenzabhängig sein können, je nach der Art des benutzten Wellenleiters. Ferner enthalten die effektiven Werte von μ und k bei diesem verein-

von D setzt und wenn μ die Permeabilität des Wellen- 20 fachten Modell die Form und die Größe des Ferrits wegs und ε die Dielektrizitätskonstante ist, ergibt sich oder des anderen gyromagnetischen Elements wie auch

.<->. _ seine Eigenschaften.

SH Durch Einsetzen von ε² und δ² kann die Gleichung(3)

δί geschrieben werden

und

Rot H= —-τ?"·

^c Aus Gleichung (4) ergibt sich, daß γ vier Werte

Um den gyromagnetischen Effekt darzustellen, der für jeden der beiden Leiter 31 und 32 haben kann, durch den in z-Richtung magnetisierten Stab 14 30 Zum Beispiel gibt es y\ und yi, welche Wellen von hervorgebracht wird, werden die Komponenten μ verschiedenen Fortpflanzungskonstanten bezeichnen.

Es gibt ferner die Quadratwurzeln von γ% und yi, welche ihrerseits positive und negative Werte für jede der beiden Wellenformen liefern, die das Vorhandensein

und k des Polderschen Permeabilitätstensors an Stelle von "μ gesetzt, d. h.

μ -ikJO ik μ 0 0 0 μ₀ In gleicher Weise wird die Eigenschaft eines Wellen-

μ =

von vorwärts fortschreitenden Wellen und reflektierten Wellen anzeigen, d. h. von Wellen, die in der positiven oder negativen z-Richtung laufen. Da nicht sämtliche dieser Wellen physikalisch realisierbar sind, werden in der folgenden Diskussion nur die

leiters, der verschiedene Fortpflanzungseigenschaften 40 realisierbaren Wellen betrachtet.

für in χ- und y-Richtung polarisierte Wellen besitzt, Für die Erklärung ist der stumpfe Stoß der Fig. 3

in Fig. 4 schematisch nochmals dargestellt. Um die Erklärung weiterhin zu erleichtern, ist der Wellenweg in vier diskrete Gebiete I, II, III und IV eingeteilt, die jeweils vier verschiedene Übertragungseigenschaften haben. Das Gebiet I des Leiters 31 ist z. B. ein einfacher rechteckiger Wellenleiter, dessen Permeabilität und Dielektrizitätskonstante reell und konstant sind. Das Gebiet II im Leiter 31 und das Gebiet III im Leiter 32 sind Gebiete mit gleichmäßigem Querschnitt, in denen die Permeabilität und die Dielektrizitäts-

durch Zuordnen eines phenomenologischen Tensors der »dielektrischen« Konstante für H angegeben. In diagonaler Form erhält man

ε =

(Siehe »A Phenomenological Theory of The Reggia-Spencer Phase Shifter« von J. A. Weiss, Proceedings Institute of Radio Engineers, Juni 1959, S. 1132.) Die beiden wichtigen Komponenten von ε sind konstante Funktionen des gyromagnetischen Materials wie auch der Wellenleiter sind. Das Gebiet IV im Wellenleiter 32 ist mit dem Gebiet I vergleichbar,

und By. Für einen rechteckigen Leiter, der nur die 55 abgesehen davon, daß die Polarisationsrichtung der in Grundform fortpflanzt, ist im allgemeinen B_x nicht ihn geführten Wellenenergie um 90° gedreht ist. gleich

p
Unter Bezugnahme auf das in Fig. 3 dar

Es sollen nun die Effekte untersucht werden, welche durch den stumpfen Stoß und das gyromagnetische Material auf eine ankommende Welle E mit der

gestellte x-j-z-Koordinatensystem ist ε^ für den Leiter 31 positiv, während s_y negativ ist. Für den

Leiter 32 ist andererseits B_x negativ und ε_ν positiv. 60 Amplitude Eins und dem Phasenwinkel Null, die in Wenn man die angegebenen Einsetzungen für die x-Richtung polarisiert ist, ausgeübt werden. Diese

Welle wird, wie in Fig. 4 angegeben ist, an den Wellenleiter 31 angelegt und pflanzt sich im Gebiet I fort, dem Gebiet des Leiters 31 ohne gyromagnetisches Material. Nach Eintritt in das Gebiet II des Leiters 31, der das gyromagnetische Element 33 enthält, unterliegen die Fortpflanzungskonstante der Welle und

Tensorpermeabilität und die Tensordielektrizitätskonstante durchführt und annimmt, daß

δχ

— —— — 0

öy

und

δί

= ι ω

für die Fortpflanzung in ebenen Wellen in z-Richtung ihre Polarisation einer Änderung. Die Fortpflanzungs-

9 10

konstante für eine sich fortpflanzende Welle in diesem schwindende Welle N" mit elliptischer Polarisation,

Gebiet ist gegeben durch deren größere Achse wie in Fig. 4 D dargestellt ist,

_t ._______... _______ in x- oder Sperrichtung liegt, während die zweite eine

γ + = ± ]/ - ω²!/«² ε² + ]/' μ² δ² - k" ε_χ S₁₁], fortschreitende Welle Pⁿ mit elliptischer Polarisation

,^. 5 ist, deren größere Achse in der 7-Richtung liegt, wie in Fig. 4 E dargestellt ist. Diese Wellen sind im

wobei ε_χ im Leiter 31 größer als Null und ε_υ kleiner Gebiet III der Fig. 4 durch die Kurven N¹I und P¹¹

als Null sind. dargestellt. Die Ausgangswelle ist im Gebiet IV durch

Da μ² δ² > k ε_χ s_y , γ₊ = ± i β, wobei β eine E₀ mit der Amplitude E_y und der Phase ,90° + Θ

positive reelle Zahl ist. 10 dargestellt. Diese 90° stellen eine zeitliche Phasen-

Die Fortpflanzungskonstante, die durch die negative verschiebung dar, welche an der Verbindung ζ = 0

Quadratwurzel von γ%, d. h. γ₊ == — i β gegeben ist, auftritt, wobei Θ die zeitliche Phasenverschiebung in

zeigt das Vorhandensein einer Welle mit konstanter den Gebieten Π und III ist.

Amplitude an, die sich in der positiven ^-Richtung Aus dem Obigen ergibt sich, daß die Lösung der

fortpflanzt, die mit PL bezeichnet ist. Es kann gezeigt 15 Maxwellschen Gleichungen für den stumpfen Stoß

werden (s. die oben zitierte Proceedings Institute of der Fig. 3 aus Wellen mit zwei Grundformen besteht.

Radio Engineers, Juni 1959), daß diese Welle elliptisch Insbesondere gibt es, wie dargestellt wurde, vier

polarisiert ist, wobei ihre größere Achse in x-Richtung grundsätzliche Streuwellen, wie sie in Fig. 4 dargestellt

liegt, wie in Fig. 4A angegeben ist. sind, die umfassen:

Da der Leiter 31 keine Polarisation in j-Richtung 20 Die P+-Welle, eine fortschreitende, reflektierte

führen kann, findet kein fortlaufender Übergang von Welle im Leiter 31 (z < 0).

Energie von der .v-Richtung der Polarisation in die Die NL-Welle, eine schwindende Welle im

j-Richtung statt, ungeachtet des Vorhandenseins des Leiter 31.

gyromagnetischen Materials, das eine Kopplung Die ΡΞ-Welle, eine fortschreitende, übertragene

zwischen den beiden Polarisationen hervorzubringen 25 Welle im Leiter 32 (z > 0).

sucht. Die P¹ -Welle pflanzt sich statt dessen im Die //"-Welle, eine schwindende Welle im

Leiter 31 fort und behält eine wesentliche konstante Leiter 32.

Amplitude und eine elliptische Exzentrität bei. Nach Die Amplituden dieser verschiedenen Wellen am Erreichen des Verbindungspunktes der Leiter 31 und stumpfen Stoß (d. h. in der Ebene ζ = 0) sind an 32 (z — 0) wird jedoch die ankommende Welle PL in 30 Hand der Werte μ, Ic, ε_χ, ε_υ und ω wie folgt gegeben: vier Wellen zerstreut: PL, eine fortschreitende reflektierte Welle; NL, eine schwindende, nicht fortschrei- _pi _ Jw„2 , A2W?² 4- r%\(v² — ·ν²ϊ ίΚ\
tende Welle im Leiter 31; Nⁿ eine schwindende, nicht ⁺ A
fortschreitende Welle im Leiter 32; und P¹I, eine
fortschreitende Welle im Leiter 32. 35 1

Wenn man die Wellen im Leiter 31 betrachtet, so N¹+ = —(2j)(* — c)(s² + ο²)γ+(γ₊ - y_), (7)
ergibt sich, daß die reflektierte Welle PL die gleiche
Polarisation und Wellenlänge wie die ankommende

Welle hat, wobei die letztere durch die positive P" = ~(4s)(b — c)(s² + bc)(v+v-), (8)

Quadratwurzel von γ\ gegeben ist. Aus Gleichung (6) 40 Δ
ergibt sich

V+^ + 'ß- N¹I= -~-(2) (J² + b c)(s² + c*)y+(y₊ + y_),

Diese Welle, die mit PL bezeichnet wird, schreitet ,m

in der negativen r-Richtung fort und ist, wie in 45 _wo>,_ei
Fig. 4 B dargestellt ist, elliptisch polarisiert, wobei ihre

größere Achse in x-Richtung liegt. ^ = (s² + Z>²) (s² + c²) (y² + vL)

Es ist ferner eine nicht fortschreitende Welle im

Leiter 31 vorhanden, die nicht fortschreitend ist, weil + ² K·*² + bcf — s²(b — c)²]y+y-,

sie elliptisch polarisiert ist, wobei ihre größere Achse 50

entlang der j-Richtung, d. h. der Sperrichtung liegt. s — — ω²[μδ + (sgnμ<5)]/'μ²δ² + A:²(ε² — δ²)],

Die Fortpflanzungskonstante dieser Welle, die mit

NL bezeichnet wird, erhält man durch Ausrechnung b = i ω² k (ε — δ)

der Gleichung (6) für den positiven Wert von y._, der j

eine positive reelle Zahl ist, d. h. 55

y=+«. ^c = i0J²k(e +δ).

Eine positive reelle Fortpflanzungskonstante stellt (sgn μ δ) bedeutet dabei, daß der nachfolgende

eine schwindende Exponentialfunktion in der negativen Wurzelausdruck mit dem Vorzeichen (+ oder —) des

z-Richtung dar, die durch die Kurve N+ in Fig. 4 C 60 Produktes μ δ versehen wird.

angedeutet ist. Diese Welle ist ebenfalls elliptisch Man sieht, daß die Streukoeffizienten qualitativ

polarisiert, jedoch liegt ihre größere Achse in der die gleichen Eigenschaften besitzen, wie sie bei den

j'-Richtung. tatsächlichen Ausführungen der Einrichtung beobach-

Ähnliche Berechnungen von γ im Leiter II können tet werden, nämlich:

durchgeführt werden mit der Bedingung, daß ε_χ 65 1. Wenn das gyromagnetische Medium nicht magne-

geringer als Null und ε_υ größer als Null ist und daß tisiert ist, gibt es keine Fortpflanzung durch die

^εΙ — ^sf ^und ε£ = ε" ist. Diese Berechnungen liefern Verbindung. Die ankommende Welle wird voll

zwei Wellen von Bedeutung. Eine Welle ist eine reflektiert.

11 12

.2. Wenn das Medium durch das angelegte Feld Umständen zirkulär sein. Von besonderer Bedeu-

magnetisiert ist, gibt es im allgemeinen sowohl tung ist jedoch der Zustand, bei dem die Polari-

übertragene als auch reflektierte Wellen. sation linear ist und in einem Winkel von 45°

3. Zusätzlich gibt es im allgemeinen ein örtliches zur Hauptachse des anisotropischen Mediums hochfrequentes Feld, das aus nichtfortschreitenden 5 liegt. Eine zirkuläre und eine linerare Polarisation oder schwindenden Wellen besteht, die exponen- kann zusammen mit der Bedingung (4) auftreten, tiell mit dem Abstand von z = 0 in beiden d. h. mit voller Übertragung.

Richtungen schwinden. Es soll nun betrachtet werden, unter welchen

4. Unter gewissen Bedingungen, die durch die Bedingungen eine volle Übertragung ohne Reflektion Parameter bestimmt sind, welche die Anisotropie io auftritt. Dies bedeutet, daß die reflektierte Welle des Mediums geben (die den Querschnitts- P\. Null ist, was besagt, daß in Gleichung (6) eine abmessungen des rechteckigen Leiters entspricht), oder mehrere der folgenden Bedingungen eintreten: ferner durch die Komponenten des Permeabilitätstensors und der Frequenz gibt es eine volle , __ .

Übertragung der ankommenden Welle und keine 15 '

Reflexion.

.5. Unter anderen Bedingungen, welche die gleichen c = is (H)

Parameter umfassen, gibt es eine volle Reflexion und/oder
und keine Übertragung, abgesehen davon, daß in ₂

diesem Falle im allgemeinen eine schwindende, 20 ^+ ⁼ ^~ ' ^

nichtfortschreitende Wellenform an der Ausgangsseite der Verbindung vorhanden ist. Wenn das Die letzte dieser Bedingungen braucht nicht betrachangelegte Feld derart ist, daß die Bedingung (4) tet zu werden, da diese besagt, daß ö = 0 ist, d. h., bei irgendeiner Frequenz auftritt, so findet man, daß der Wellenweg kreisförmig oder quadratisch ist daß die Bedingung (5) bei einer niedrigen Fre- 25 mit gleicher Fortpflanzung für die E_x und E_y Polariquenz und die Bedingung (2) bei einer noch sationen. Gemäß der Erfindung sind die Wellenleiter niedrigeren Frequenz auftritt. Die obere Grenze jedoch nicht symmetrisch, und δ ist nicht gleich Null.

. des Frequenzbereichs, bei der die Bedingung (4) Für eine der beiden anderen Bedingungen tritt eine auftritt, ist der Punkt, bei dem der Eingangsleiter volle Übertragung ohne weitere Beschränkungen für in die Lage versetzt wird, mehr als eine einzige 30 die Querschnittsabmessungen des Wellenleiterweges Wellenform zu führen und die Eigenschaften der ein. Jedoch findet bei jedem dieser beiden Fälle eine Verbindung völlig anders werden (z. B. tritt die Übertragung in verschiedener Weise statt. Zum Bei-Faraday-Drehung in Erscheinung, und die schwin- spiel sei unter Bezugnahme auf die Gleichungen (7) denden Wellen sind nicht mehr vorhanden). und (9) bemerkt, daß für s = ic, sowohl JVI als auch

6. Die Phasen der durch die Verbindung in entgegen- 35 JV? verschwinden, während für s = ib dies im allgesetzten Richtungen fortschreitenden Wellen gemeinen nicht geschieht.

unterscheiden sich um 180°, d. h. die Einrichtung Aus den Amplituden der Streuwellen, die durch

ist ein Gyrator. die Gleichungen (6) bis (9) gegeben sind, kann man

7. Im allgemeinen ist der Polarisationszustand in der die Werte für E_x und E_v in der Ebene ζ = 0 erhalten. Ebene ζ = 0 elliptisch. Er kann unter gegebenen 40 Sie sind gegeben durch

E_x = ~(s*+bC)₇₊[S(S* + c^a)(y₊ + y_) +2sc(b - c)y_]. (13)

^{Ey =} Ύ ^{(jS + bc) Ύ+ {b {s% + c2) (y+ + yJ)} ~ ^{2 s}* ^ ~ ^{c) γ}~^] ■

Für b = is oder c = is, nämlich die Bedingung für sationsrichtung am Verbindungspunkt vorhanden ist,

das Verhindern einer Reflexion, sind die Amplituden wenn die Fortpflanzungsrichtung umgekehrt wird,

und E_x und E_y gleich, und die elektrischen Felder 50 Dies ist die Bedingung für die durch die Erfindung

bei z = 0 sind elliptisch polarisiert, wobei ihre grö- vorgeschlagenen Anwendungen als Isolator und

ßeren Achsen in einem Winkel von 45° zu den PoIa- Zirkulator.

risationsrichtungen in den Leitern geneigt sind. Wenn Die nachfolgend gegebene Erklärung der Arbeitsinsbesondere c — is ist, ist das elektrische Feld weise der verschiedenen Ausführungen der Erfindung zirkulär polarisiert. Wenn andererseits entsprechend 55 unter Verwendung des tetraederförmigen Übergangs der Erfindung b — is ist und zusätzlich der Fig. 1 beruht auf der Untersuchung, die an Hand

der speziellen Form des tetraederförmigen Übergangs

Y+ _ _ j-i_+_ ^l[^c π 5) ^{der Fi}S· ³ durchgeführt wurde. Der Einfachheit halber

γ- s — ic wurde der stumpfe Stoß und nicht der tetraeder-

60 f örmige Übergang untersucht, da der tetraederf örmige

ist, sind E_x und E_y gleich und zeitlich in Phase. Übergang, der eine Übertragungsleitung mit sich

Infolge dieser besonderen Einrichtung der Wellen- konstant ändernden Querschnittsabmessungen ist,

leiterwege ist das elektrische Feld in der Ebene ζ = 0 beträchtlich schwieriger mathematisch zu untersuchen

linear polarisiert, und zwar mit einem Winkel von als der stumpfe Stoß ist, der aus zwei gleichförmigen,

45° zu den Polarisationsrichtungen der Wellen- 65 gekreuzten Wellenleitern besteht, insbesondere wenn

energie in jedem der Wellenleiter. Weiterhin ist der der Übergang mit Hilfe eines gyromagnetischen

Polarisationswinkel eine Funktion der Fortpflanzungs- Materials weiter belastet ist. Trotzdem wurde beob-

richtung, wobei eine Änderung von 90° in Polari- achtet, daß das Grundprinzip der Arbeitsweise bei

13 14

beiden Einrichtungen im wesentlichen das gleiche ist. schrägten Teil beeinflußt wird, da eine Welle, welche Die Unterschiede sind im wesentlichen Einzelunter- nicht von dem ursprünglichen Polarisationszustand schiede und Unterschiede im Grad, wobei sie be- im Eingangsleiter in den bevorzugten Polarisationsstimmen, welche der Anordnungen in gewissen beson- zustand im Ausgangsleiter mit Hilfe des gyromagnederen Anwendungen benutzt werden können. Dies 5 tischen Mediums umgewandelt wird, schließlich den wird am besten dadurch erläutert, daß man zwei Zustand der Sperrung im wesentlichen in der gleichen Anwendungen betrachtet, in denen die eine oder die Weise im abgeschrägten Leiter wie im stumpfen Stoß andere der beiden Einrichtungen mit dem größten erreichen muß.

Vorteil verwendet wird. Beim Aufbau eines abgeschrägten Teils müssen Während z. B. der stumpfe Stoß der Fig. 3 im i° jedoch gewisse Einschränkungen beachtet werden, wesentlichen als mathematisches Modell für die Bei dem stumpfen Stoß der Fig. 3 werden beide Untersuchung benutzt wurde, stellt er einen aus- Polarisationen χ und y augenblicklich an der Vergezeichneten magnetisch steuerbaren Rückwirkungs- bindung gesperrt. Man hat in gleicher Weise gefunden, schalter dar. Als Schalter besitzt er eine sehr hohe daß bei dem abgeschrägten Teil 11 eine endliche Betriebsdämpfung im reflektierenden (nicht magneti- 15 Strecke in Längsrichtung vorhanden sein kann, in sierten) Zustand, eine geringe Dämpfung im über- der beide Polarisationen gesperrt werden. Wenn dieses tragenden (magnetisierten) Zustand (die im Prinzip Gebiet jedoch zu lang gemacht wird, findet im wesentgeringer als diejenige Dämpfung ist, die bei irgend- liehen keine Übertragung durch das Teil statt. Anderereiner der zur Zeit bekannten Ferrit-Wellenleiterein- seits soll die Gesamtlänge der Abschrägung, insbesonrichtungen erreichbar ist), ferner eine hohe Schalt- 2° dere die Länge der Abschrägung, in der beide aufgeschwindigkeit, eine große Bandbreite, eine geringe einander senkrecht polarisierte Wellen sich fort-Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des angelegten pflanzen können, nicht größer als eine halbe Wellen-Feldes und der magnetischen Stärke des gyromagne- länge bei der höchsten, zu übertragenden Frequenz tischen Mediums. Zusätzlich zu seiner Anwendung sein. Wenn sie größer als eine halbe Wellenlänge ist, als Schalter kann er als umkehrbarer Gyrator ver- 25 können Faraday-Dreheffekte beobachtet werden, wendet werden, dessen Richtung der Phasenverschie- welche die Arbeitsweise des tetraederförmigen Teils, bung eine Funktion der Polarisationsrichtung des wie sie durch die Erfindung beabsichtigt ist, stören, gyromagnetischen Elements ist. Das gyromagnetische Material soll sich über die

Bei seiner Verwendung als Schalter ist der nicht gleiche Strecke erstrecken, die von den schwindenden übertragende Zustand derjenige Zustand, bei dem 30 Wellen N¹ und N¹¹ eingenommen wird, der Kopplungseffekt des gyromagnetischen Materials Zusätzlich sei bemerkt, daß nicht nur die metallidurch Entmagnetisierung auf Null ist. In diesem nicht sehen Wellenleiterwände, sondern auch das gyrokoppelnden Zustand wird das Ausmaß, in dem eine magnetische Material zu dem wirksamen Übergang unerwünschte Übertragung unterdrückt wird, gänzlich der Übertragungsleitungseigenschaften beitragen. Diedurch den Grad der mechanischen Vollkommenheit 35 ser Effekt ist insbesondere in solchen Fällen wichtig, der Verbindung bestimmt. Die einfachste und ge- wo der Stabdurchmesser so groß ist, daß er eine naueste Anordnung ist für diesen Zweck der stumpfe beträchtliche Verzerrung der Verteilung der hoch-Stoß, in dem alle Oberflächen entweder zueinander frequenten elektromagnetischen Energie über den parallel oder senkrecht liegen. Es soll ferner bemerkt Querschnitt des Wellenwegs verursacht (»dielekwerden, daß bei dieser Anwendung der Polarisations- 40 trischer Wellenleiter-Effekt). So kann es die Erziezustand an der Verbindungsstelle von geringer Bedeu- lung der richtigen Feldverteilung, die zur Erfüllung tung für die Arbeitsweise als Schalter ist. Andererseits der Bedingungen der Gleichungen (10) und (15) notist bei einem Isolator mit Widerstandsfahne, wie er wendig ist, erfordern, daß das gyromagnetische eingehender später beschrieben wird, der Polari- Element und das Vormagnetisierungsfeld wie auch sationszustand der Wellenenergie von großer Bedeu- 45 der Wellenleiter einen Übergang darstellen. In einigen tung, da er das Verhältnis der Vorwärtsdämpfung Fällen können Änderungen der Abmessungen des zur Rückwärtsdämpfung bestimmt. Von gleicher Wellenleiters im kritischen Gebiet (in der Nähe des Bedeutung ist jedoch der Bereich, in dem die ge- Gebiets der linearen Polarisation) zweitrangig sein wünschte Polarisation erreichbar ist. Offenbar muß und vernachlässigt werden. Jedoch muß in solchen die gewünschte Polarisation in einem ausreichend 50 Fällen, wo selbst der geringste Grad an elliptischer langen Gebiet der Einrichtung vorhanden sein, um Verzerrung in der Polarisation unangenehm ist, die hinreichende Absorption der Wellenenergie in besondere Aufmerksamkeit dem Beitrag des gyro-Rückwärtsrichtung durch die Widerstandsfahne zu magnetischen Materials zum effektiven Übergang ermöglichen. In dieser Anwendung ist der stumpfe geschenkt werden. Bei der letztgenannten Klasse von Stoß nicht geeignet, da die interessierende Polarisation 55 Einrichtungen ist es notwendig, die Verteilung des nur in der Ebene der Verbindung vorhanden ist. gyromagnetischen Materials in dem kritischen Gebiet Andererseits sind bei dem abgeschrägten Übergangs- geeignet zu bemessen.

teil, weil die Änderungen der Fortpflanzungsbedin- Nachdem die Bedingungen definiert sind, die zur gungen, denen die Wellenenergie unterliegt, allmählich Hervorbringung einer linearen Polarisation im Mittelstattfinden, die Wirkungen dieser Änderungen nicht 60 gebiet des tetraederförmigen Wellenleiters notwendig plötzlich im Raum verbreitet wie bei dem stumpfen sind, wird nun vorgeschlagen, den tetraederförmigen Stoß. Daher ist das abgeschrägte Teil der Fig. 1 für Übergangswellenleiter als nicht reziproken Welleneinen Isolator und allgemein für alle Anwendungen leiterbauteil zu benutzen. In Fig. 5 ist eine perspekgeeigneter, bei denen ein besonderer Polarisations- tivische Ansicht des tetraederförmigen, abgeschrägten zustand auf einer Strecke aufrechterhalten sein muß. 65 Teils entsprechend der Erfindung dargestellt, der so

Es sei nochmals hervorgehoben, daß das Prinzip eingeschaltet und benutzt wird, daß er nichtreziproke

der Arbeitsweise nicht durch den allmählichen Über- Übertragungseffekte hervorbringt. Die Einrichtung

gang der Wellenleiterabmessungen in dem abge- der Fig. 5 ist insbesondere eine Dämpfungseinrich-

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tung, bei der der Unterschied von 90° in der Richtung jedoch senkrecht zur Polarisationsrichtung der Wellen, der Polarisation, die in dem tetraederförmigen Teil die in der umgekehrten Richtung laufen. auftritt, benutzt wird, um eine nichtreziproke Arbeits- Die von der Sonde 69 aufgefangene Energie wird in

weise hervorzubringen. den dritten Wellenleiter 65 mit Hilfe des koaxialen

Der Isolator in Fig. 5 besteht erfindungsgemäß 5 Leiters 67 eingekoppelt. Der Leiter 65 ist an dem einen aus den beiden koaxial ausgerichteten, die Grund- Ende durch die Ebene 70 abgeschlossen. Die Kopplung wellenform führenden, rechteckigen Wellenleitern 51 mit dem Wellenleiter 65 ist daher in solcher Weise und 52, die durch den tetraederförmigen Teil 53 durchgeführt, daß eine Wellenfortpflanzung vom getrennt sind. Der Wellenleiter 52 ist um 90° um die Ende 70 entsprechend bekannten Verfahren induziert gemeinsame Achse gegenüber dem Leiter 51 gedreht, io wird.

so daß die Richtungen der Wellenpolarisation in den l_m Betrieb wird die Polarisationsebene der in den

beiden Wegen aufeinander senkrecht stehen. Teil 63 vom Leiter 62 eintretenden Wellenenergie so

Entlang der Achse ist auf einer Strecke des Über- gedreht, daß sie mit der Sonde 69 übereinstimmt. Die gangsteils 53 ein zylindrischer Stab aus gyromagne- auf diese Weise polarisierte Energie wird hierdurch tischem Material 54 angeordnet. Der Stab 54 ist in 15 in den Leiter 65 eingekoppelt und geht von da aus Längsrichtung durch das konstante Feld H vor- durch den Durchgang b, wobei keine Energie den magnetisiert. Das FeIdJi₀ kann von außen auf Leiter 61 erreicht. Die in den Leiter 65 eingeführte bekannte Weise angelegt werden, oder es kann der Wellenenergie geht andererseits mit Hilfe der Sonde 69 Stab 54 permanent magnetisiert sein. in den Teil 63 und schreitet in Richtung des Leiters 61

Entlang des Stabs 54 sind in Längsrichtung die 20 fort, wobei keine Energie den Leiter 62 erreicht. Widerstandsfahnen 55 und 56 angeordnet, welche Schließlich erreicht die vom Leiter 61 kommende sich im wesentlichen in gleichen Abständen von der Energie das Kopplungsgebiet senkrecht zur bevor-Mitte des Leiters 53 zu den Leitern 51 und 52 hin zugten Richtung der Kopplung mit der Sonde 69 erstrecken. Die Fahnen liegen in einer Ebene, die polarisiert. Infolgedessen geht im wesentlichen eine unter einem Winkel von 45° zu den Polarisations- 25 Energie zum Leiter 65, während die gesamte Energie richtungen in den Leitern 51 und 52 geneigt sind, zum Leiter 62 geleitet wird. Somit ist die Folge der um Wellen zu absorbieren und zu dämpfen, deren Fortpflanzung α -*-*-b, £>-«->■ c und c+-* a. Polarisationsebenen parallel zu den Fahnenebenen 55 Fig. 7 zeigt einen Zirkulator mit vier Durchgängen,

und 56 liegen, jedoch Wellen im wesentlichen unbe- bei dem zwei tetraederförmige Übergänge 71 und 72 einflußt zu lassen, deren Polarisationsebenen senk- 30 verwendet sind, die mit Hilfe der koaxialen Verbindung recht zur Ebene der Fahnen liegen. 73 und der zugehörigen elektrostatischen Sonden 74

Wenn man für die Erklärung die Richtung von und 75 gekoppelt sind. Wie vorher sind die Sonden α nach b als Vorwärtsrichtung und von b nach α als unter einem Winkel von 45° geneigt, so daß sie der Rückwärtsrichtung bezeichnet, kann die Arbeitsweise Polarisationsrichtung der Wellenenergie entsprechen, des Isolators der Fig. 5 erklärt werden, indem zu- 35 die in der einen Richtung durch die jeweiligen Übernächst eine von α nach b laufende Welle betrachtet gangsteile fortgeleitet wird, und so daß sie senkrecht wird. Dise Welle ist im Leiter 52 waagerecht polari- zur Polarisationsrichtung für die Fortpflanzung in der siert. Wenn der tetraederförmige Teil so eingerichtet umgekehrten Richtung sind. Bei dieser Anordnung ist, daß er den Bedingungen der Gleichungen (10) findet eine Übertragung von a ■«-»■ b, b*-*c, c*-*d und und (15) genügt, so ist die Welle im Gebiet der Wider- 40 rf«-»· α in der typischen Zirkulatorweise statt, standsfahnen linear polarisiert, jedoch in einem Winkel Fig. 8 zeigt einen Zirkulator mit vier Durchgängen,

von 45° zu ihrer ursprünglichen Polarisationsrichtung bei dem ein einziges tetraederf örmiges Übergangsteil und in einem Winkel von 90° zur Ebene der Wider- 81 verwendet wird. Bei dieser Ausführung sind die standsfahnen. Bei dieser Orientierung geht die Welle beiden Abzweigleiter 82 und 83 direkt mit dem Tetradurch den Übergangsteil unbeeinflußt hindurch 45 eder mit Hilfe der öffnungen 84 und 85 gekoppelt. Die und verläßt ihn durch den Leiter 51. In der Rück- Öffnungen liegen in benachbarten Ecken des Überwärtsrichtung von b nach α ist jedoch die Ebene der gangsteils 81 im Gebiet der linearen Polarisation. Für Polarisation der Welle so gedreht, daß sie mit der die eine Fortpflanzungsrichtung wird Energie durch die Ebene der Widerstandsfahnen übereinstimmt. Damit Öffnung 84 in den Leiter 82 gekoppelt, während für wird die in Rückwärtsrichtung durch den Übergangs- 50 die Fortpflanzung durch den Übergang in der umteil laufende Energie infolge des Vorhandenseins der gekehrten Richtung die Energie durch die Öffnung 85 Widerstandsfahnen wesentlich gedämpft. in den Leiter 83 eingekoppelt wird. Die Verschiebung

Weitere verlustlose, selektive Kopplungsmittel der Kopplung geschieht, wie oben erklärt wurde, können in Zusammenhang mit dem tetraederförmigen infolge der Änderung der Richtung der Polarisation Übergang benutzt werden, um andere nichtreziproke 55 der Wellenenergie um 90°, die durch die Änderung Effekte hervorzubringen. Zum Beispiel ist in Fig. 6 der Richtung der Fortpflanzung durch den Überein Zirkulator mit drei Durchgängen dargestellt, der gangsteil entsteht.

aus den Wellenleitern 61 und 62, dem Übergangsteil 63 Es sei bemerkt, daß, wenn auch die Übergangsstelle

und dem vormagnetisierten gyromagnetischen Element der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung besteht, die in gleicher Weise wie in Fig. 5 an- 60 aus leitend begrenzten Wellenleiterteilen bestehen, geordnet sind. An Stelle der Widerstandsfahnen ist das Übergangsteil auch aus Rückenleitern oder anderen jedoch eine Sonde 69 vorhanden, die sich in den Arten von wellenleitenden Anordnungen bestehen Übergangsleiter hineinerstreckt. Die Sonde 69 be- kann, ohne daß seine Wirksamkeit irgendwie befindet sich in der Mitte des Übergangsteils (in dem einträchtigt ist. Ferner braucht der Übergang nicht Gebiet, wo die Wellenpolarisation im wesentlichen 65 linear zu sein, sondern kann sich in irgendeiner vorlinear ist) und ist so orientiert, daß sie parallel zu der bestimmten Weise entsprechend den Anforderungen Polarisation der Wellen liegt, die durch den Über- der besonderen Anwendung ändern. Ferner dient die gangsteil in der einen Fortpflanzungsrichtung laufen, Verwendung von koaxialen Verbindungen zwischen

den verschiedenen Bauteilen, welche die Zirkulatoren mit drei oder vier Durchgängen der Fig. 6 und 7 bilden, nur als Erläuterung. Andere Arten von geeigneten Kopplungsmitteln, die in der Technik bekannt sind, können an deren Stelle benutzt werden.

Eine Erläuterung der Anwendung anderer Arten von wellenleitenden Anordnungen zur Durchführung der Erfindung gibt die Fig. 9, wo das Gegenstück des stumpfen Stoßes der Fig. 3 unter Verwendung von koaxialen Kabeln dargestellt ist. Insbesondere sieht man zwei aneinanderstoßende Kabelteile 90 und 91, deren Längsachsen in Querrichtung um eine gegebene Strecke gegeneinander verschoben sind. Das koaxiale Kabel 90 besteht aus dem inneren zylindrischen Leiter 92, der von einem koaxial angeordneten, äußeren zylindrischen Leiter 93 durch ein geeignetes dielektrisches Material 94 getrennt ist. In gleicher Weise besteht das Kabel.91 aus einem inneren zylindrischen Leiter 95 und einem äußeren koaxialen zylindrischen Leiter 96, die durch das dielektrische Material 97 getrennt sind.

In den sich überlappenden Gebieten A und B, die beiden koaxialen Kabeln gemeinsam sind, befinden sich zwei gyromagnetische Elemente 98 und 99, die sich eine Strecke in jedes Kabel hinein erstrecken. Jedes dieser Elemente ist in Längsrichtung mit Hilfe eines konstanten magnetischen Feldes von der Amplitude H₀ vormagnetisiert, wobei die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes im Element 98 der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes im Element 99 entgegengesetzt ist.

Fig. 10 zeigt in größeren Einzelheiten die Anordnung der beiden Kabel, insbesondere die magnetische Feldverteilung in den gemeinsamen Gebieten A und B, die von den inneren Leitern 92 und 95 und den äußeren Leitern 93 und 96 begrenzt sind. In diesen beiden Gebieten schneiden sich die hochfrequenten magnetischen Felder (die im allgemeinen aus geschlossenen Schleifen des magnetischen Flusses bestehen, welche den inneren Leiter jedes koaxialen Kabels umgeben). Diese sich schneidenden Felder werden durch die sich schneidenden magnetischen Feldkomponenten f_XA und f₂A, sowie Z₁H und /₂b erläutert, die in den beiden gemeinsamen Gebieten A und B dargestellt sind. Für eine bestimmte Querverschiebung d der Kabelachsen können die sich schneidenden hochfrequenten Felder so ausgeführt werden, daß sie in den Gebieten A und B aufeinander senkrecht stehen, wodurch jede Kopplung der Wellenenergie zwischen den beiden aneinander anstoßenden Kabelteilen ausgeschlossen wird. Wenn nun die beiden magnetisierten Elemente 98 und 99 aus gyromagnetischem Material in die gemeinsamen Gebiete A und B des stumpfen Stoßes eingeführt werden, wird eine Kopplung zwischen den beiden aufeinander senkrecht stehenden Feldern in einer Weise möglich, die derjenigen des stumpfen Stoßes der Fig. 3 analog ist. So ist die Verbindung der koaxialen Leitungen in jeder wesentlichen Hinsicht der oben beschriebenen und in Fig. 3 dargestellten Wellenleiterverbindung gleichwertig und ist, wie diese, als Schalter oder Gyrator geiegnet. Es sei bemerkt, daß ihre Fähigkeit, als Schalter oder Gyrator zu arbeiten, nicht von der Entstehung einer einzigen Polarisationsform der Wellenenergie in der Verbindung abhängig ist. Ferner hat diese Anordnung den Vorteil, daß sie bei Betrieb in der TEM-Form keine Grenzfrequenz besitzt und daher als praktische Ausführung des Schalters mit stumpfem Stoß und als Gyrator bei Frequenzen dienen können, die unter denjenigen liegen, die zweckmäßigerweise in Wellenleiteranordnungen benutzt werden.

Jedoch ist es in gleicher Weise wichtig, zu bemerken, daß durch Erfüllen der Bedingungen in den Gleichungen (10) und (15) eine lineare Polarisation der Wellenenergie an der Verbindung erhalten werden kann, die benutzt werden kann, um nicht reziproke Übertragungen hervorzubringen, wie sie vorher geschildert wurden.

Von besonderem Interesse ist bei allen derartigen Einrichtungen das konstante Vormagnetisierungsfeld, das zum Betrieb der verschiedenen Ausführungen der Erfindung benutzt wird. Wie früher ausgeführt wurde, erfordern gyromagnetische Wellen Bauteile mit Resonanz- und Feldverschiebung, Vormagnetisierungsfelder, die den Betriebsfrequenzen proportional sind, während Einrichtungen, die auf Faraday-Rotationseffekten beruhen, gegen Änderungen der Frequenz und der Temperatur empfindlich sind. Die tetraederförmige Verbindung arbeitet andererseits in einem Bereich der Vormagnetisierungsfelder, der im wesentlichen unabhängig von der Betriebsfrequenz und der Umgebungstemperatur ist und der Vormagnetisierungsfelder unterhalb der Sättigung des gyromagnetischen Materials umfaßt. Diese Eigenschaft der tetraederförmigen Verbindung erleichtert weitgehend das Problem der Vormagnetisierung. Insbesondere erlaubt sie die Anwendung des Erfindungsprinzips auf Einrichtungen, die bei sehr hohen Frequenzen arbeiten (z. B. im Millimeterwellenbereich), ohne daß ausgedehnte und unangenehme Magnetisierungseinrichtungen erforderlich sind. Weiterhin wird bei jeder Frequenz der Bau von kleinen und leichten Einheiten möglich. Bei Anwendungen, bei denen das angelegte magnetische Feld geändert werden muß, können diese Änderungen wegen der kleinen Induktivität der magnetisierenden Zylinderspule und des Nichtvorhandenseins eines ferromagnetischen Jochs mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetisches Wellenübertragungssystem für die Fortpflanzung von Wellenenergie in einem gegebenen Frequenzband, mit einem ersten Wellenweg, der nur in der ersten Richtung polarisierte Wellenenergie mit einer ersten Fortpflanzungskonstanten führt, und mit einem zweiten Wellenweg, der in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung polarisierte Wellenenergie mit einer zweiten Fortpflanzungskonstanten führt, sowie mit Kopplungsmitteln, welche Wellenenergie von dem ersten Weg in den zweiten Weg einkoppeln und ein Element aus gyromagnetischem Material umfassen, das in der Richtung der Wellenfortpflanzung vormagnetisiert ist und sich zwischen den beiden Wellenwegen erstreckt, dadurch ge kennzeichnet, daß sich dieFortpflanzungskonstanten des Übertragungssystems für beide Polarisationsrichtungen im Bereich eines Längsintervalls des Systems ändern, welches sich längs des Elements aus gyromagnetischem Material erstreckt und kürzer ist als eine halbe Wellenlänge bei der höchsten Frequenz der Wellenenergie in dem Band, daß die beiden Wellenwege zusammen mit dem gyromagnetischen Element so bemessen sind, daß sie eine linear polarisierte Welle in dem Intervall zwischen den Wellenwegen induzieren, deren

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Polarisationsrichtung unter einem Winkel von 45° gegen die Polarisationsrichtungen der Wellenenergie in dem ersten und dem zweiten Wellenweg geneigt ist, und daß die Änderung der Polarisationsrichtung um 45° in dem Intervall im wesentlichen

k (ε — δ) = —[μ δ + (sgn μ und

in der Mitte zwischen dem ersten und zweiten Wellenweg auftritt.

2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenwege und das gyromagnetische Material so bemessen sind, daß

Iμ δ + (sgn μ 3) ]/μ² <5² + k₂ Γ(ε² - >) + /fc (ε +δ) [μδ + (sgn μ δ) ]/μ² <5² + K (ε² - δ*) - ik(e +δ)

wobei ε = -^-(ε_χ + ε_ν) und δ = -^-{ε_χ — e_y) ist,

ε_χ und ε_υ die Querkomponenten des effektiven Tensors der Dielektrizitätskonstante des Wellenweges und μ und k die Komponenten des Polderschen Permeabilitätstensors sind, und (sgn μ δ) angibt, daß der nachfolgende Wurzelausdruck mit dem Vorzeichen des Produktes μ δ versehen werden soll.

3. Übertragungssystem nach Anspruch 1, wobei das Intervall zwischen den beiden Wellenwegen eine leitend begrenzte wellenleitende Anordnung bildet, die sich gleichförmig und stetig in dem Längsintervall zwischen den Wellenwegen von einem Transversalquerschnitt mit einer gegebenen Form an einer der ersten Längslage in einem Transversalquerschnitt mit einer anderen Form an einer zweiten Längslage ändert, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Kopplungsmittel zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage angeordnet und mit der Wellenenergie, die sich in der Anordnung in der ersten Richtung fortpflanzt, in einem wesentlich anderen Grad gekoppelt sind als mit der Wellenenergie, die sich in der Anordnung in der zweiten umgekehrten Richtung fortpflanzt, und daß Mittel für die Änderung der Amplitude und der Richtung der Vormagnetisierung des gyromagiietischen Elements vorgesehen sind.

4. Übertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsabmessungen der Wellenleiteranordnung und die Parameter des gyromagnetischen Elements so eingerichtet sind, daß sie eine linear polarisierte Welle in einem Gebiet der Wellenleiteranordnung im wesentlichen in der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Lage hervorbringen.

5. Übertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Kopplungsmittel aus einer Fahne aus Dämpfungsmaterial besteht, das in einer Ebene liegt, die parallel zur Richtung der linearen Polarisation der Wellen verläuft, die sich in der Wellenleiteranordnung in der umgekehrten Richtung fortpflanzen.

6. Übertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Kopplungsmittel aus einer elektrostatischen Sonde besteht, die parallel zur Richtung der linearen Polarisation der Wellenenergie orientiert ist, welche sich in der ersten Richtung fortpflanzt.

7. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Wellenweg jeweils aus einem Stück Koaxialkabel bestehen, das aus einem inneren Leiter besteht, der von einem koaxial angeordneten, äußeren Leiter S.

umgeben ist, daß ferner die einander zugewandten Enden der Kabelstücke aneinanderstoßen, wobei die Längsachse des ersten Stücks in Querrichtung gegen die Längsachse des zweiten Stücks verschoben ist, so daß zwei beiden Kabeln gemeinsame Gebiete entstehen, die durch die inneren Leiter und die äußeren Leiter begrenzt sind, daß weiterhin in jedem der Gebiete das Element aus gyromagnetischem Material angeordnet wird, und daß schließlich Mittel das gyromagnetische Element vormagnetisieren.

8. Übertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes koaxiale Kabelstück so bemessen ist, daß es Wellenenergie in der TEM-Wellenform führt, daß ferner die in jedem Kabelstück geführte Wellenenergie zirkuläre magnetische Feldkomponenten aufweist, die in dem Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter koaxial verteilt sind, und daß schließlich die einander zugewandten, aneinanderstoßenden Enden der Kabelstücke ein erstes und ein zweites Überlappungsgebiet des magnetischen Feldes bilden, die aufeinander senkrecht stehende Feldkomponenten aufweisen.

9. Übertragungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Überlappungsgebiete ein gyromagnetisches Element angeordnet ist und daß die gyromagnetischen Elemente in entgegengesetzten Richtungen vormagnetisiert sind.

10. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterwege aus einem ersten und einem zweiten rechteckigen Wellenleiterteil bestehen, die koaxial auf einer gemeinsamen Längsachse angeordnet sind, daß ferner die einander zugewandten Enden der Wellenleiter so zusammenstoßen, daß sie einen stumpfen Stoß bilden, daß weiterhin der zweite Wellenleiter gegen den ersten Leiter um 90° um die gemeinsame Längsachse gedreht ist, und daß schließlich das Element aus gyromagnetischem Material sich von dem ersten Leiter durch die Verbindung in den zweiten Leiter hinein erstreckt.

11. Übertragungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der rechteckigen Wellenleiter nur in einer Richtung polarisierte Wellenenergie führt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 803 621;
USA.-Patentschrift Nr. 2 802 184;
»The Bell System Technical Journal«, January 1955, bis 39.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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