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Nichtreziproke gyromagnetische Anordnung für Einrichtungen der Höchstfrequenztechnik
Die Erfindung bezieht sich auf eine nichtreziproke, die gyromagnetische Resonanz
ausnutzende Anordnung für elektromagnetische Wellen unterhalb der Frequenz 1 GHz.
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Anordnungen dieser Art bestehen regelmäßig aus einem rohrförmigen
Wellenleiter, in dessen Innerem in axialer Erstreckung streifenförmiges gyromagnetisches
Material angeordnet ist, das von einem äußeren, senkrecht zu den Breitseiten ausgerichteten
magnetischen Gleichfeld vormagnetisiert ist. Sie finden in der Höchstfrequenztechnik,
beispielsweise Richtfunktechnik, als Resonanzrichtungsleitungen Verwendung. Das
streifenförmige gyromagnetische Material kann hierbei mit seiner Breitseite oder
seiner Schmalseite unmittelbar an der Wandung des Wellenleiters oder auch in einem
gewissen Abstand hiervon angeordnet sein.
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Der Einsatz solcher Bauteile ist im wesentlichen auf den Frequenzbereich
zwischen 1,5 und 50 GHz beschränkt. Die obere Frequenzgrenze ist hierbei durch den
gerade noch vertretbaren Aufwand an Magnetfeld gegeben. Die untere Frequenzgrenze
hat ihre Ursache unter anderem darin, daß das Auftreten einer einwandfreien gyromagnetischen
Resonanz die Sättigung des Werkstoffes in Richtung des ihn durchsetzenden magnetischen
Gleichfeldes voraussetzt. Die Gleichfeldstärke kann also unter einen gewissen Grenzwert
nicht erniedrigt werden, ohne gleichzeitig das Resonanzverhalten des gyromagnetischen
Materials wie auch seine nichtreziproken Eigenschaften zu verschlechtern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, der
es gestattet, eine Anordnung der einleitend beschriebenen Art auch für den Frequenzbereich
unterhalb 1 GHz einzusetzen.
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Für eine nichtreziproke, die gyromagnetische Resonanzabsorption ausnutzende
Anordnung für elektromagnetische Wellen unterhalb der Frequenz 1 GHz, bestehend
aus einem rohrförmigen Wellenleiter, in dessen Innerem in axialer Erstreckung streifenförmiges,
gyromagnetisches Material angeordnet ist, das breitseitig unmittelbar an der Wandung
des Wellenleiters angeordnet und von einem äußeren, senkrecht zu den Breitseiten
ausgerichteten magnetischen Gleichfeld vormagnetisiert ist, wird erfindungsgemäß
die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Querschnitt des streifenförmigen gyromagnetischen
Materials, das ein Werkstoff mit relativ geringer Sättigungsmagnetisierung und vorzugsweise
kleiner Anisotropie ist, ein Seitenverhältnis Breite zu Höhe von wenigstens 10 aufweist.
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Es sind bereits nichtreziproke Phasenschieber in Rundhohlleiterausführung
bekannt, bei denen die Innenwandung des Hohlleiters zur Hälfte mit einer Schicht
aus Ferritmaterial belegt ist. Diese Ferritschicht kann zwar als Streifen angesehen
werden, dessen Querschnitt ein Verhältnis Seite zur Höhe größer als 10 hat. Anordnungen
dieser Art lassen jedoch keinen unmittelbaren Vergleich mit dem Erfindungsgegenstand
zu, da ihre Wirkung auf dem Prinzip der Feldverzerrung, also nicht auf dem Prinzip
der gyromagnetischen Resonanzabsorption beruht. Ferner sind Ferritmodulatoren mit
plattenförmigen gyromagnetischem Material bekannt, und zwar weisen sie eine Vielzahl
solcher nebeneinander angeordneter Platten auf. Sie unterscheiden sich also vom
Erfindungsgegenstand durch einen völlig andersgearteten Aufbau. Auch sind solche
Anordnungen nur für einen Frequenzbereich oberhalb 1 GHz geeignet.
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Bei der Erfindung wird von der an sich bekannten Tatsache ausgegangen,
daß die Resonanzfrequenz f,. eines gyromagnetischen Werkstoffes von der Gleichfeldstärke
H des außen angelegten Magnetfeldes, der Sättigungsmagnetisierung MS des Werkstoffes
und den Entmagnetisierungsfaktoren Nx, Ny und NZ in. den verschiedenen Koordinatenrichtungen
nach der mathematischen Beziehung
abhängt. Die Gleichfeldstärke H ist hierbei in Z-Richtung wirksam. y ist das gyromagnetische
Verhältnis. Damit die magnetischen Momente um eine definierte Achse (Z-Achse) präzedieren,
muß der Werkstoff in dieser Richtung gesättigt sein. Für die Gleichfeldstärke H
ergibt
sich daraus die Forderung, daß sie wenigstens so groß sein muß wie die Summe aus
der die Anisotropie und sonstige Störgrößen beschreibenden Störfeldstärke H* und
dem Produkt aus dem Entmagnetisierungsfaktor Nz und der Sättigungsmagnetisierung
MS. Unter Berücksichtigung dieser Bedingung ergibt sich als tiefste Resonanzfrequenz
f,.u eines gyromagnetischen Werkstoffes
(2) Soll die Resonanzfrequenz fr" einen möglichst kleinen Wert annehmen, so ergeben
sich nach (2) die im folgenden aufgeführten Bedingungen: 1. Kleine Störfeldstärke
H* (kleine Anisotropie). 2. Kleine Sättigungsmagnetisierung Ms.
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3. Kleine Entmagnetisierungsfaktoren in der Ebene x, y des magnetischen
Hochfrequenzfeldes.
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Die ersten beiden Bedingungen sind ausschließlich Forderungen an die
Werkstoffzusammensetzung, während die dritte Bedingung durch geeignete Formgebung
des gyromagnetischen Materials erreicht werden kann. Eine kleine Störfeldstärke
H* ist eine an gyromagnetische Materialien zu stellende grundsätzliche Forderung.
Ihre Größe läßt sich jedoch nur sehr schwer bestimmen. Daher ist die Auswahl geeigneter
Werkstoffe unter diesem Gesichtspunkt zur Zeit kaum möglich.
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Die Forderung einer kleinen Sättigungsmagnetisierung stößt insofern
auf Schwierigkeiten, als mit der Sättigungsmagnetisierung auch gleichzeitig die
spezifische Dämpfung abnimmt. Das bedeutet einen größeren Materialaufwand und eine
größere Baulänge bei gleicher absoluter Dämpfung. Außerdem nimmt mit der Sättigungsmagnetisierung
im allgemeinen auch die Curietemperatur ab und damit die Temperaturabhängigkeit
der magnetischen Eigenschaften zu. Eine Änderung der Sättigungsmagnetisierung kommt
also nur in dem Maße in Frage, als die hiermit verbundene Volumenvergrößerung und
Erhöhung der Temperaturabhängigkeit in tragbaren Grenzen bleiben.
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Wie bereits erwähnt, hängen die Entmagnetisierungsfaktoren N", N,,
und N, von der Formgebung des Werkstoffes ab. Sie verhalten sich in erster Näherung
umgekehrt wie die entsprechenden Abmessungen in den jeweiligen Koordinatenrichtungen.
Nx kann dadurch klein gemacht werden, daß die Breite des streifenförmigen gyromagnetischen
Materials vergrößert wird. Einer solchen Vergrößerung ist jedoch insbesondere bei
Richtungsleitungen dadurch eine Grenze gesetzt, als die äußeren Streifenränder keine
zu große Entfernung vom Ort der zirkularen Polarisation des magnetischen Feldvektors
der Welle haben dürfen, da ansonsten mit einem erheblichen Anstieg der Grunddämpfung
gerechnet werden muß. Der Entmagnetisierungsfaktor N, in Fortpflanzungsrichtung
der Wellen ist im allgemeinen bereits schon sehr klein, da die Baulänge und damit
die Streifenlänge die Querschnittsabmessungen um ein Vielfaches übersteigt.
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Die Entmagnetisierungsfaktoren N" und N,, lassen sich aber auch dadurch
noch verkleinern, daß der Entmagnetisierungsfaktor N, vergrößert wird. Dies kann
dadurch geschehen, daß die Dicke der gyromagnetischen Streifen vermindert wird.
Eine Vergrößerung des Entmagnetisierungsfaktors NZ hat noch den weiteren Vorteil,
daß sie bei Richtungsleitungen im Sinne einer Verbesserung des Dämpfungsverhältnisses
wirksam ist. Bei einem Seitenverhältnis der Streifenquerschnittsabmessungen Breite
zu Höhe von 10 und größer ist es möglich, die gyromagnetische Resonanzfrequenz so
weit herabzusetzen, daß sich mit derart bemessenen Streifen Richtungsleitungen für
den Frequenzbereich um 400 MHz verwirklichen lassen.
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An Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt
sind, soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.
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In der F i g. 1 ist eine Richtungsleitung nach der Erfindung perspektivisch
dargestellt, die für den Frequenzbereich unterhalb 1 GHz geeignet ist. Die Richtungsleitung
besteht aus einem Rechteckhohlleiter 1 mit Schmalprofil, in dessen Innerem in axialer
Erstreckung zwei Streifen 2 aus gyromagnetischem Material, beispielsweise Ferrit,
nebeneinander unmittelbar an der Wandung der oberen Hohlleiterbreitseite angeordnet
sind. Das Seitenverhältnis Breite b zu Höhe h der Streifen 2 ist wenigstens
10 gewählt. Die Streifen 2 sind vom magnetischen Gleichfeld H entsprechend ihrer
Anordnung in Zonen mit gegensinniger zirkularer Polarisation des magnetischen Feldvektors
in entgegengesetzter Richtung vormagnetisiert. Ihre Abstände x, von der Hohlleitermitte
sind so gewählt, daß die Durchlaßdämpfung der Richtungsleitung möglichst klein ist.
Der Abstand x. ist hierbei empirisch ermittelt, weil die Verzerrung des elektrischen
Feldes durch das Streifenmaterial praktisch keine Berechnung ermöglicht. Als Werkstoff
ist ein Material verwendet, das eine relativ niedrige Sättigungsmagnetisierung aufweist,
um eine möglichst tiefe Resonanzfrequenz der Streifen zu erzielen. Das magnetische
Gleichfeld H ist dabei wenigstens so groß, daß die Streifen in Richtung des Feldes
gerade gesättigt sind.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung in Koaxialbauweise
ist .in der F i g. 2 gezeigt. Der Koaxialleiter besteht aus einem Außenleiter 3
und einem Innenleiter 4 und enthält einen sich in Achsrichtung erstreckenden
dielektrischen Körper 5 mit einer relativen Dielektrizitätskonstante E,.@ 10. Der
dielektrische Körper 5 hat kreissektorförmigen Querschnitt mit einem Öffnungswinkel
von 120°. Die Streifen 6 aus gyromagnetischem Material sind in der Breite der Krümmung
des Außenleiters 3 angepaßt und unmittelbar an der Innenwandung desselben so angeordnet,
daß sie etwa zur Hälfte in den vom dielektrischen Körper 5 ausgefüllten Raum hineinragen.
Das die Streifen 6 magnetisierende Gleichfeld H ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel
nach der F i g. 1 senkrecht zu den Breitseiten der Streifen ausgerichtet. Das Seitenverhältnis
Breite b (= mittlere Bogenlänge) zu Höhe h der Streifenquerschnittsabmessungen ist
ebenfalls wenigstens 10 gewählt. Die Anregung der gyromagnetischen Resonanz ist
bei dieser Anordnung in an sich bekannter Weise dadurch ermöglicht, daß an den übergängen
zwischen dem luftgefüllten Innenraum und dem mit dem dielektrischen Körper 5 ausgefüllten
Innenraum zirkular polarisierte Komponenten des magnetischen Feldes der im Koaxialleiter
sich fortpflanzenden elektromagnetischen Wellen auftreten.
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Das Seitenverhältnis b : h der Streifenquerschnittsabmessungen
stellt eine Art Grenzwert dar, der von
der Betriebsfrequenz und
von den Werkstoffeigenschaften abhängt. Während nämlich die gyromagnetische Resonanzfrequenz
vom Seitenverhältnis unterhalb dieses Grenzwertes stark abhängig ist, ändert sie
sich oberhalb dieses Grenzwertes praktisch nicht mehr.
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Zur näheren Erläuterung dieses Sachverhalts sind in der F i g. 3 in
einem Diagramm für den Frequenzbereich von 490 bis 590 MHz die Durchlaßdämpfung
aD, die Sperrdämpfung as und das Dämpfungsverhältnis V = aD/as für drei Ausführungsbeispiele
nach der F i g. 1 aufgetragen. Die Ausführungsbeispiele unterscheiden sich hierbei
lediglich durch die Wahl des Seitenverhältnisses der Querschnittsabmessungen ihrer
gyromagnetischen Streifen.
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Die in logarithmischem Maßstab aufgetragenen Dämpfungswerte sind in
db angegeben und auf die Längeneinheit Zentimeter bezogen. Bei einem Seitenverhältnis
b : h = 8,20 steigen die Dämpfungen gegen zunehmende Frequenzen an. Das ist
ein Zeichen dafür, daß die gyromagnetische Resonanzfrequenz des Materials noch an
der oberen Grenze des dargestellten Frequenzbereiches liegt. Bei einem Seitenverhältnis
b : h = 9,85 liegen die Dämpfungskurven bereits symmetrisch zur Frequenz
540 MHz. Die Vergrößerung des Seitenverhältnisses von 8,20 auf 9,85 hat also noch
eine Erniedrigung der Resonanzfrequenz mit sich gebracht. Gleichzeitig ist das Dämpfungsverhältnis
V größer und die Durchlaßdämpfung aD kleiner geworden. Eine weitere Erhöhung des
Seitenverhältnisses auf den Wert 11,8 bringt in. dem betrachteten Frequenzbereich
praktisch keine Verschiebung der Resonanzfrequenz mehr. Die Dämpfungskurven liegen
wiederum symmetrisch zur Bandmittenfrequenz 540 MHz. Dagegen hat das größere Seitenverhältnis
eine weitere Erhöhung des Dämpfungsverhältnisses zur Folge. Gleichzeitig nimmt aber
nicht nur die Durchlaßdämpfung, sondern auch die Sperrdämpfung ab.. Die Zunahme
des Dämpfungsverhältnisses V wie auch die Abnahme der Durchlaßdämpfung aD muß also
mit einem absoluten Dämpfungsverlust pro Längeneinheit der Richtungsleitung erkauft
werden.
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An Stelle einer Ausführung mit zwei gyrornagnetischen Streifen entsprechend
der F i g. 1 können Richtungsleitungen gemäß der Erfindung auch mit vier Streifen
in paarweiser Gegenüberstellung ausgeführt werden. Eine solche Anordnung hat jedoch
eine Verkleinerung des Entmagnetisierungsfaktors NZ und damit ein Ansteigen der
Resonanzfrequenz zur Folge. In der Regel wird dieser Nachteil nur dann in Kauf genommen
werden, wenn ansonsten die gestellten Anforderungen an die Baulänge und die zu erzielende
Wärmeableitfähigkeit nicht erreicht werden können. Mitunter kann es auch aus räumlichen
Gründen zweckmäßig sein, an Stelle eines normalen Rechteckhohlleiters einen Steghohlleiter
zu verwenden.
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Eine Verbesserung der Durchlaßdämpfung ohne wesentliche Änderung der
Sperrdämpfung kann in vorteilhafter Weise dadurch erzielt werden, daß noch Keramikstreifen
neben die Streifen aus gyromagnetischem Material gelegt werden. Im übrigen kann
zur Verbesserung der Wärmeableitung, in Verbindung mit einer Verringerung der bei
tiefen Frequenzen an sich großen Abmessungen, der freie Innenraum der Hohlleiteranordnung
mit einem flüssigen Dielektrikum, vorzugsweise einem verlustarmen Öl, gefüllt werden.