DE1196731B - Nichtreziproke Einrichtung fuer elektro-magnetische Wellenenergie - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIp

H03h

Deutsche Kl.: 21a4-74

W29293IXd/21a4
19. Januar 1961
15. Juli 1965

Die Erfindung bezieht sich auf breitbandige, nichtreziproke Einrichtungen für elektromagnetische Wellenenergie.

Es ist bekannt, ein Element aus gyromagnetischem Material, wie Ferrit, im Fortpflanzungsweg elektromagnetischer Wellenenergie asymmetrisch zu deren Feldbild anzuordnen und dieses Material so weit vorzumagnetisieren, daß es bei der Frequenz der zugeführten Wellenenergie im gyromagnetischen Sinne in Resonanz kommt. Wenn in der einen Richtung fortschreitende Mikrowellen einem solchen Weg zugeführt werden, werden sie stark gedämpft. Wenn sie jedoch in der anderen Richtung fortschreiten, wird keine oder nur eine geringe Dämpfung beobachtet. Derartige Einrichtungen sind in der Technik als Isolatoren bekannt. Wenn andererseits das Element mit einer Feldstärke vormagnetisiert wird, die von der für die Resonanz erforderlichen abweicht, bringt die Einrichtung eine nichtreziproke Phasenverschiebung hervor. Bei Verwendung als Isolator oder als Phasenschieber ist es oftmals erwünscht, daß die Wirkungen in jeder Richtung so groß wie möglich sind, daß sie so verschieden wie möglich sind und daß sie möglichst unabhängig von der Frequenz sind.

Die nichtreziproken Eigenschaften der obigen Einrichtungen leiten sich von der Tatsache her, daß in einem rechteckigen Wellenleiter eine zur schmalen Wand parallele Ebene vorhanden ist, in der das hochfrequente magnetische Feld der im Leiter geführten Energie eine Querkomponente und eine Längskomponente aufweist, die gleiche Amplituden haben. Die beiden Komponenten sind um 90° phasenverschoben, so daß das Gesamtfeld zirkulär polarisiert ist und für die eine Fortpflanzungsrichtung entlang des Leiters sich im einen Sinn und für die entgegengesetzte Fortpflanzungsrichtung sich im entgegengesetzten Sinn dreht. In dieser Ebene angeordnetes gyromagnetisches Materials wirkt in verschiedener Weise mit den Komponenten zusammen, die sich im entgegengesetzten Sinn drehen. Die Lage dieser Ebene hängt jedoch von der Frequenz der Wellenenergie ab, so daß ein festes Element ein frequenzabhängiges Verhältnis von Komponenten aufweist, die in gewünschtem Sinn rein zirkulär polarisiert sind und einer Minderheit von Komponenten, die sich in einem zum bevorzugten und vorherrschenden entgegengesetzten Sinn drehen. Da diese Minderheitskomponenten die nichtreziproke Wirkung in der Einrichtung verschlechtem, indem sie die Varwärtsdämpfung in einem Isolator erhöhen und das Isolationsverhältnis herabsetzen, macht ihr Nichtreziproke Einrichtung für elektromagnetische Wellenenergie

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N-Y. (V. St. A.)

Vertreter:

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

Als Erfinder benannt:

William Walter Anderson, Florham Park, N. J.;
Marion Ernest Hines, Summit, N. J. (V. St. A.)

_ao Beanspruchte Priorität:

V. St.V.Amerika vom 3.Februar 1960 (6393) --

Vorhandensein die Einrichtung im hohen Maß frequenzempfindüch.

Es sind Versuche gemacht worden, die Frequenzunabhängigkeit zu verbessern, indem ein Element aus nichtmagnetischem Material mit einer verhältnismäßig hohen Dielektrizitätskonstanten angrenzend an das gyromagnetische Element angeordnet ist, um die magnetischen Feldkomponenten der durch das Element gehenden Welle zu stören, so daß zusätzliche Komponenten entstehen, welche die sich im vorherrschenden Sinn drehende zirkuläre Polarisation verstärken. Wenn somit das. gyromagnetische Element richtig angeordnet wird, so daß die gewünschte zirkuläre Polarisation im gyromagnetischen Element verstärkt wird, beobachtet man eine entsprechende Erhöhung der nichtreziproken Wirkung und eine Herabsetzung der Frequenzempfindlichkeit.

Beispiele für diese Art der Verbesserung sind in

einem Aufsatz »A High Average Power Broad-Band Ferrite Load Isolator for S-Band« von E. W.

Skomal in dem IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Ianuar 1959, S. 174, beschrieben.

Das Ausmaß der durch den oben beschriebenen Effekt erzielbaren Verbesserung ist durch die Tatsache begrenzt, daß die Störung ein örtlicher Effekt bleiben muß, der auf die unmittelbare Nachbarschaft der kapazitiven Belastung begrenzt ist. Die Belastung

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darf keine wesentliche Verlangsamung der Wellenfortpflanzung bewirken, die weiterhin eine Geschwindigkeit aufweist, die nur wenig geringer als diejenige der unbelasteten Übertragungsanordnung ist. Wenn die Belastung zu sehr erhöht wird, kann das Feldbild derart gestört werden, daß das Gebiet der zirkulären Polarisation nicht mehr einfach definiert ist und die Orientierung der Polarisationsebene nicht gleichmäßig ist.

Es ist eine Einrichtung der in Rede stehenden Art bekannt, bei der ein im Hohlleiter axial versetzt angeordneter Ferrit selbst eine lokale Störung erzeugt, die davon abhängt, ob das Produkt der Permeabilität und der Dielektrizitätskonstante von dem des den Ferritkörper umgebenden Medium verschieden oder gleich ist. Zur Erhöhung der Belastung und damit zur Erhöhung der nichtreziproken Wirkung sind hierbei mehrere parallel zum Ferrit und senkrecht zur Richtung der elektrischen Polarisation angeordnete Flügel aus Widerstandsmaterial vorgesehen. Der Ferritkörper wird bei der bekannten Einrichtung durch ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld magnetisiert. Diese bekannte Einrichtung weist zwar eine gute Richtungsabhängigkeit der Dämpfung bei gedrängter Bauart auf, sie ist aber recht frequenzabhängig.

Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, die Bandbreite der nichtreziproken Wirkung von Einrichtungen, die magnetisch polarisierte Elemente aus gyromagnetischem Material aufweisen, zu erhöhen.

Hierzu wird ausgegangen von einer nichtreziproken Einrichtung für elektromagnetische Wellenenergie mit einer Wellenleiteranordnung mit wenigstens zwei gegenüberliegenden, flachen, leitenden Flächen zum Aufnehmen einer elektromagnetischen Welle in einer Schwingungsart, bei der das elektrische Feld quer zu Ebenen, die sich längs der Achse des Wellenleiters erstrecken, vorherrscht und bei der das magnetische Feld Schleifen bildet, die in diesen Ebenen liegen, mit einem Element aus gyromagnetischem Material, das sich in dem Wellenleiter längs der Richtung der Wellenausbreitung erstreckt, und mit einer kapazitiven Belastung nahe diesem Element, und die Lösung der vorstehend beschriebenen Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß die kapazitive Belastung eine Dielektrizitätskonstante hat, die so hoch ist, daß die Phasengeschwindigkeit der sich längs der Anordnung ausbreitenden Wellenenergie so weit verringert wird, daß sie kleiner als die Phasengeschwindigkeit der Wellenenergie im freien Raum ist, daß das magnetische Feld der Wellenenergie außerhalb der dielektrischen Belastung zirkulär polarisiert ist und daß das gyromagnetische Element durch ein Feld inhomogen vorgespannt wird, das nahe der kapazitiven Belastung intensiver als im Abstand von der kapazitiven Belastung ist.

Es wird also eine Übertragungsleitung so weit kapazitiv belastet, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellenenergie auf eine Geschwindigkeit verlangsamt wird, die mehrere Male geringer als die Geschwindigkeit im freien Raum ist. Man hat festgestellt, daß eine derartige belastete Übertragungsleitung eine neue Fortpflanzungsform führt, die ein hochfrequentes magnetisches Feld aufweist, das an jeder Stelle außerhalb des Belastungsmittels in einem sehr breiten Band im wesentlichen zirkulär polarisiert ist. In dieses Feld wird dann ein nichthomogenes vormagnetisiertes gyromagnetisches Material mit einer großen Querabmessung eingebracht, wodurch breitbandige gyromagnetische Effekte erhalten werden.

Als kapazitive Belastung kann ein dielektrisches Element hoher Dielektrizitätskonstante vorgesehen werden. Bei anderen Ausführungen kann das kapazitive Belastungsmittel durch leitende Stifte oder kapazitive Dioden, insbesondere Tunneldioden, gebildet sein. Ein Merkmal der letztgenannten Ausführung besteht darin, daß sie sich für eine Verstärkung unter Ausnutzung des negativen Widerstandsbereiches der Tunneldioden eignet. Mit Widerstand behaftete Seitenwände können bei einer Parallelplatten-Übertragungsleitung verwendet werden, um die Einrichtung bei niedrigen Frequenzen zu stabilisieren.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer

ao bevorzugten Ausführung der Erfindung, welche die Anordnung des kapazitiv belasteten dielektrischen Elements und der gyromagnetischen Elemente in einem rechteckigen Hohlleiter zeigt;

Fig. 2A und 2B stellen für die Erklärung die magnetische Feldverteilung über die Breiteabmessung eines unbelasteten Leiters und des belasteten Leiters der F i g. 1 dar;

Fig. 3 bis 5 zeigen Querschnittsansichten von Abänderungen der Ausführung der Fig. 1.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine nichtreziproke Einrichtung dargestellt, die entweder als Isolator oder als Phasenschieber betrieben werden kann. Zuerst sei angenommen, daß sie als Isolator arbeitet. Die Anordnung besteht aus einem Teil 10 eines leitenden rechteckigen Hohlleiters, der in den Weg einer linear polarisierten Wellenenergie gebracht wird, die eine Isolierung erfordert, z. B. zwischen einer Quelle und einer Belastung. Der Leiter 10 weist leitende breite Wände mit einer inneren Querabmessung auf, die wenigstens eine halbe Wellenlänge der zu leitenden Energie beträgt, ferner eine schmale Abmessung, die merklich geringer als die Hälfte der breiten Abmessung ist, wie es den üblichen Bemessungslehren entspricht.

Bei der dargestellten besonderen Ausführung ist der Leiter 10 dadurch kapazitiv belastet, daß im Leiter ein axial angeordnetes langes Element 14 aus nichtmagnetischem, nichtleitendem, dämpfungsarmem Material angebracht ist, das eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante und so große Abmessungen aufweist, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellenenergie im Leiter mehrere Male kleiner als diejenige eines unbelasteten Leiters ist. In der Praxis hat man festgestellt, daß ein Material, wie Titandioxyd, mit Dielektrizitätskonstanten in der Größenordnung von 100 bis 160 besonders geeignet ist. Da es erwünscht ist, daß die Konzentration der dielektrischen Belastung so groß wie möglich ist, soll das Element 14 eine Höhe haben, die gleich der Höhe des Leiters 10 ist, ferner die kleinstmögliche Breite für den erforderlichen Grad an Wellenverlangsamung. Die volle Höhe ist ferner vorzuziehen, weil ein dielektrisches Element mit teilweise Höhe dazu neigt sich zu verbiegen und das Feldbild in einer Weise zu stören, die für die Ausbildung der nachfolgend zu schildernden Feldverteilung schädlich ist.

Auf beiden Seiten des Elements 14 sind lange gyromagnetische Elemente 12 und 13 angeordnet,

die an der Bodenwand 11 des Leiters 10 entlanglaufen. Die Elemente 12 und 13 haben jeweils einen dünnen Querschnitt von rechteckiger Form, mit einer großen Breite, die einen wesentlichen Teil der Wellenleiterbreite parallel zur Wand 11 einnimmt. In Längsrichtung des Leiters 10 erstrecken sich die Elemente 12 und 13 über mehrere Wellenlängen. Der übrige Teil des Leiters 10 ist mit einem dielektrischen Mittel von niedriger Dielektrizitätskonstante angefüllt, die wesentlich kleiner als die Dielektrizitätskonstante eines der Elemente 12 und 13 oder des Elements 14 ist, z. B. mit Luft.

Das Material der Elemente 12 und 13 weist derartig elektrische und magnetische Eigenschaften auf, wie sie in der mathematischen Untersuchung von D. Polder im Philosophical Magazine, Januar 1949, Bd. 40, S. 99 bis 115 beschrieben sind. Insbesondere können die Elemente 12 und 13 aus einem nichtleitenden ferromagnetischen Material bestehen. Zum Beispiel können sie aus Eisenoxyd mit einem der Oxyde eines oder mehrerer zweiwertiger Metalle bestehen, z. B. Nickel, Magnesium, Zink, Mangan und Aluminium, die in einer Spinellkristallanordnung kombiniert sind. Dieses Material ist als ferromagnetisches Spinell oder als Ferrit bekannt. Andererseits können sie aus einem der ferromagnetischen Granatmaterialien bestehen. Manchmal werden diese Materialien zunächst pulverisiert und dann mit einem kleinen Prozentsatz eines plastischen Bindematerials geschmolzen. Nachfolgend soll für das Material ausschließlich der Ausdruck »Ferrit« verwendet werden, doch können selbstverständlich gleichwertige Materialien mit ähnlichen gyromagnetischen Eigenschaften zur Ausführung der Erfindung verwendet werden.

Die Elemente 12 und 13 sind ungleichmäßig vormagnetisiert oder durch ein außen angelegtes magnetisches Querfeld in entgegengesetzten Richtungen polarisiert, das rechtwinklig zur Fortpflanzungsrichtung der Wellenenergie liegt. Wie dargestellt, wird dieses Feld von einer C-förmigen Anordnung geliefert, die aus einem magnetischen Kern 17 mit den Polen N und 5 besteht, welche an der Bodenwand 11 des Leiters 10 anliegen. Auf dem Kern 17 können Drahtwindungen aufgewickelt sein und mit einer Potentialquelle verbunden werden, um ein Magnetisierungsfeld mit dieser Polarität zu erzeugen, oder der Kern 17 kann permanent magnetisiert sein. Die Verteilung des durch derartige Pole hervorgebrachten Feldes ist im Material der Elemente 12 und 13 nicht gleichmäßig, weil die Teile der Elemente in der Nähe der Mitte des Leiters 10 infolge des kürzeren Weges 15' zwischen den Polen N und S eine viel größere Feldstärke als die Teile in der Nähe der schmalen Wände des Leiters 10 infolge des längeren Wegs 15" haben. Da die Elemente 12 und 13 dünn und auf der Wand 11 angrenzend an die Pole angeordnet sind, ist das Feld innerhalb der Elemente im wesentlichen geradlinig und liegt senkrecht zur magnetischen Ebene des Leiters 10. Das Feld kann auch durch Polanordnungen mit anderem geeignetem physikalischem Aufbau hervorgebracht werden. In den nachfolgenden Figuren ist dieses Feld schematisch durch einen mit H_DC bezeichneten Vektor angedeutet.

Die Theorie und die Arbeitsweise der Ausführung der F i g. 1 lassen sich am besten unter Bezugnahme auf Fig. 2A und 2B erklären. Fig. 2A zeigt das herkömmliche hochfrequente magnetische Feldbild der Grundwellenform in einem unbelasteten rechteckigen Hohlleiter. Das magnetische Feld bietet Schleifen, welche in Ebenen, parallel zur breiten Abmessung des Leiters liegen. Die Amplitude der Querkomponente H_x des Feldes ist an den schmalen Wänden Null und entlang der Mittelebene 16 parallel zu den schmalen Wänden ein Maximum. Die Amplitude der Längskomponente H_y ist an den schmalen Wänden ein Maximum und entlang der Mittelebene 16 Null. In zwei besonderen Längsebenen 17 und 18, die auf jeder Seite einen Abstand χ von der Mittelebene 16 haben und sich parallel zu dieser erstrecken, haben H_x und H_y gleiche Amplituden. Da diese Komponenten 90° gegeneinander phasenverschoben sind, erzeugt ihre Summe ein magnetisches Feld, das zirkulär polarisiert ist und das sich im Raum in einem Sinn dreht, wenn sich die Welle in einer Richtung entlang des Leiters fortpflanzt, und im entgegengesetzten Sinn, wenn sich die Welle in der entgegengesetzten Richtung fortpflanzt. Die genaue Lage der Ebenen 17 und 18 ist eine Funktion der Frequenz, wie es eingehend im Bell System Technical Journal, Januar 1955, auf Seite 50 an Hand der Fig. 20 geschildert ist.

Insbesondere können die Gleichungen für die Querkomponente H_x und die Längskomponente H₃, dargestellt werden durch:

H_y = A sin β χ cos (co / — yy),
1

H_x= ±A

cos/9χ sin (ω ί — yy), (2)

— 1

wobei A eine willkürliche Konstante ist, die von der Energie in der Welle abhängt, ν die Phasengeschwindigkeit der Welle, c die Geschwindigkeit im freien Raum, ω die Winkelfrequenz, t die Zeit, 7 die Fortpflanzungskonstante in Längsrichtung und β die Fortpflanzungskonstante in Querrichtung. Für diese Fortpflanzungsform ist es üblich, eine Phasengeschwindigkeit ν zu haben, die größer ist als die Geschwindigkeit des freien Raums c. Eine zirkuläre Polarisation des magnetischen Feldes erfordert, daß

sin/?* =

cos β χ

-1

da dies nur für einen einzigen Wert für χ bei einer gegebenen Frequenz auftreten kann, ist die Lage des Gebiets mit frequenzabhängiger reiner zirkularer Polarisation sehr eng begrenzt.

Fig. 2B zeigt das Feldbild derselben Wellen_r energie in einem Hohlleiter mit denselben Abmessungen wie in Fig. 2A, jedoch mit Ausnahme davon, daß der Leiter der Fig. 2B durch ein dielektrisches Element 14 kapazitiv belastet ist, so daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit etwa ein Drittel bis ein Viertel derjenigen des unbelasteten Leiters der Fig. 2A ist.

Das magnetische Feld bildet immer noch Schleifen, jedoch sind die Formen der Schleifen im Gebiet außerhalb der kapazitiven Belastung sehr stark verändert, so daß nunmehr in jeder Ebene außerhalb der Mittelebene 16 bei allen Werten von χ die Werte H_x und H_y im wesentlichen gleich sind. Diese beiden Komponenten haben weiterhin die richtige

Phasenlage, um beim Fortschreiten der Welle eine zirkulare Polarisation zu erzeugen. Zum Beispiel ist in einer willkürlichen Ebene 19 der Fig. 2B mit einem Abstand x' von der Ebene 16 H_x nahezu gleich H₃₁', ebenso ist in einer anderen Ebene 20 mit einem Abstand x" von der Mitte, der größer als x' ist, der Wert H_x" nahezu gleich H₃,", Die Intensität von H_x und Hy nimmt exponentiell mit χ ab, so daß eine maximale Intensität am Element 14 vorhanden ist, während sie sich an den schmalen Wänden des Leiters 10 dem Wert Null nähert. Dieser Zustand kann durch Gleichungen geschrieben werden, die den Gleichungen (1) und (2) entsprechen:

Hκ = Ae~ ^ßx cos (o) tyy),

e-P^xsin((ot — yj). (5)

Es sei bemerkt, daß die Änderung mit χ nunmehr für die beiden Komponenten H_x und H_y die gleiche ist. Für eine vollkommene zirkulare Polarisation ist daher nur erforderlich, daß

= 1

Offensichtlich ist es unmöglich, diese Bedingung bei jeder Frequenz genau zu erfüllen, jedoch wird

für alle Frequenzen, für die —durch die kapazitive

Belastung klein gemacht wird, z. B. etwa ein Drittel oder weniger, die Bedingung der zirkulären Polarisation nahezu erfüllt. Eine wesentliche Elliptizität besteht nur bei kleineren Frequenzen, bei denen die Differenz zwischen der Wellengeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des freien Raums klein ist und in der Nähe der äußeren leitenden Begrenzung. Damit ist das Gebiet der wichtigen zirkulären Polarisation von einer verhältnismäßig schmalen Ebene im wesentlichen auf das gesamte Feldbild außerhalb des Belastungsmittels ausgedehnt. Da die höheren Frequenzen in größerem Ausmaß in die Belastung hineingezogen werden als die niederfrequenten Komponenten, werden die höheren Frequenzen mehr auf Gebiete in der Nähe des Belastungsmittels konzentriert, während sich die niedrigen Frequenzen sich mehr zu den leitenden Seitenwänden hin ausdehnen.

Infolgedessen erhalten bei der Ausführung der Fig. 1 die Ferritelemente 12 und 13 breite Querabmessungen und werden durch ein Feld vormagnetisiert, das in der Mitte stärker ist, um eine gyromagnetische Resonanz bei den dort konzentrierten höheren Frequenzen zu erzeugen, während es in den äußeren Teilen weniger stark ist, um eine gyromagnetische Resonanz bei den tieferen Frequenzen hervorzubringen. Da sich der Sinn der zirkulären Polarisation für das gesamte Gebiet mit einer Umkehr der Richtung der Fortpflanzung umkehrt, erhält man eine wirksame breitbandige nichtreziproke Isolatorwirkung.

Das oben definierte Feldbild kann in einem rechteckigen leitend begrenzten Hohlleiter in der durch die Gleichungen (4) und (5) definierten genauen Form nur vorhanden sein, wenn die Breiteabmessung in bezug auf den Grad der Belastung so groß ist, daß das gesamte Feldbild, wie es in Fig. 2B dargestellt ist, sich auswirken kann, ohne daß die Form der magnetischen Feldlinien durch die Nähe der schmalen leitenden Wände beeinflußt wird. In der Praxis ist jedoch die Arbeitsweise befriedigend, wenn diese schmalen Wände nur dort auftreten, wo im Vergleich zu den Feldern in der Nähe der Mitte Felder von geringer Intensität oder niedriger Frequenz vorhanden sind. Wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, werden die leitenden Seitenbegrenzungen unnötig, wenn man davon absieht, daß sie eine Abschirmung gegen äußere Störungen darstellen, und sie können entfernt werden. Die Anord-

xs nung wird dann der üblichen Übertragungsleitung mit parallelen Platten sehr ähnlich.

Jedoch kann die stark belastete Anordnung in zahlreichen unerwünschten schädlichen Wellenformen erregt werden und diese weiterleiten, insbesondere

so bei niedrigeren Frequenzen. Daher ist es an Stelle des gänzlichen Weglassens der Seitenbegrenzungen vorzuziehen, sie durch elektrisch dämpfende Begrenzungen zu ersetzen, welche die schädlichen Wellenformen absorbieren oder ihre Fortpflanzung verhin-

s»5 dem. Diese Abänderung ist in Fig. 3 dargestellt, in der elektrisch dämpfende oder mit Widerstand behaftete Teile 31 und 32, die aus irgendeinem geeigneten Material, wie aus mit Kohle imprägniertem plastischem Material bestehen, die gegenüberliegenden Längskanten der parallelen Platten 33 und 34 miteinander verbinden.

Fig. 3 zeigt auch eine andere Form der kapazitiven Belastung, welche die elektrische Belastung der Fig. 1 ersetzen kann. Die dargestellte andere Form besteht aus einer Vielzahl von dünnen, leitenden Stäben oder Fingern 35 mit geringem Abstand, die sich über einen wesentlichen Teil des Zwischenraums zwischen den Platten 33 und 34 von der mittleren Längslinie der Platte 33 aus erstrecken. Wenn sie richtig bemessen wird, ergibt diese Anordnung eine kapazitive Belastung für die sich zwischen den Platten 33 und 34 fortpflanzende Wellenenergie und setzt deren Fortpflanzungsgeschwindigkeit herab, wie es durch die Erfindung gefordert wird. Beim Aufbau einer derartigen Anordnung soll dafür gesorgt werden, daß die entsprechende Reaktanz vorherrschend kapazitiv ist. Ebenso können andere gleichwertige, Wellen verlangsamende Kreise benutzt werden, von denen bekannt ist, daß sie eine kapazitive Belastung ergeben.

Ein weiterer Weg zur Erzielung einer großen kapazitiven Belastung ist in Fig. 4 dargestellt. Hier ist eine Vielzahl von Halbleiterdioden von denen bekannt ist, daß sie eine hohe Kapazität am Übergang aufweisen, in Längsrichtung zwischen den Mittellinien der Platten 33 und 34 verteilt. Das geeignete halbleitende Material 39 kann in Punkten oder Vertiefungen 36 in der Platte 34 angeordnet werden, wobei es von den leitenden Elementen 37 berührt wird. Da die Platten 33 und 34 durch die Widerstandsteile 31 und 32 bereits elektrisch gegeneinander isoliert sind, kann die notwendige Gleichspannung leicht an die Dioden 37 bis 39 angelegt werden, indem eine Spannungsquelle 38 zwischen den Platten 33 und 34 angeschlossen wird.

An Stelle der diskreten Punktdioden der Fig. 4 kann eine fortlaufende Banddiode, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, die erforderliche kapazitive Belastung

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ergeben. Ein dünnes, schmales Band 41 aus halbleitendeni Material, das sich in der Nut 43 entlang der Mittellinie der Platte 34 erstreckt, kann durch ein leitendes scharfkantiges Teil 42 berührt werden, das mit der Platte 33 entlang der Mittellinie verbunden ist. Die Kapazität des Übergangs der Diode muß so groß sein, daß sie gegenüber der Induktivität des Teils 42 vorherrschend ist.

Die erfindUrigsgemäßett Anordnungen eignen sich in idealer Weise zur Verwendung mit den spannungsgeregelten Halbleiterdioden mit negativem Widerstand, wie sie von L. Esaki in der Physical Review, Januar 15, 1958 auf Seite 603 beschrieben sind- Die allgemeine Klasse von Einrichtungen mit negativem Widerstand dieser Art ist heute entweder als Esaki- ig dioden oder als Tunneldioden bekannt. Sie bestehen au sstark dotiertem Halbleitermaterial, an dem sich ein zur Hervorbringung eines p-n-Übergangs geeigneter Kontakt befindet. Somit können sämtliche oder ein Teil der Dioden37 bis 39 der Fig. 4 oder ao die Banddiode 41-42 der Fig. 5 durch Tunneldioden ersetzt werden. Diese Dioden haben nicht nur eine Kapazität am Übergang, die zur Erzeugung der kapazitiven Belastung und der Feldverteilungen ausreicht, ihre Kennlinie mit negativem Widerstand kann gleichzeitig auch dazu ausgenutzt werden, um eine Verstärkung mit negativem Widerstand hervorzubringen. Die Isolatorwirkung der Ferritelemente 11 und 12 ergibt einen ausreichenden nichtreziproken positiven Widerstand, um sicherzustellen, daß die Verstärkung diejenige nicht übersteigt, bei der sich ein unstabiler Zustand ergibt.

Ein spezielles Merkmal der Ausführungen der Fig. 4 und 5 besteht in der neuartigen und nützlichen Funktion, welche durch die mit Widerstand behafteten Wände 31 und 32 in einer Verstärkerkombination mit negativem Widerstand der oben beschriebenen Art durchgeführt wird. Es ist bekannt, daß trotz der Einfachheit der Verstärker mit negativem Widerstand ihre Anwendung durch die niederfrequente Instabilität begrenzt ist, welche bei Schaltungen mit hoher Verstärkung in Erscheinung tritt. Die niedrigen Frequenzen umfassen auch diejenigen, welche unterhalb des Arbeitsbereichs der Einrichtung liegen. Bei den vorliegenden Anordnungen nehmen jedoch die magnetischen und elektrischen Felder quer zur kapazitiven Belastung in der Mitte der leitenden Anordnung exponentiell ab, wobei die Felder mit hoher Frequenz schneller abnehmen als die Felder mit niedriger Frequenz. Daher sind die mit Widerstand behafteten Wände 31 und 32 in den Fig. 4 oder 5 dort vorhanden, wo die Felder mit hoher Frequenz sehr schwach sind, so daß diese Frequenzen unbedeutend geschwächt werden. Bei niedrigen Frequenzen ergeben die Wände 31 und 32 jedoch eine wesentliche Dämpfung, so daß, wenn der positive Leitwert je Längeneinheit den negativen Leitwert der Elemente mit negativem Widerstand bei niedrigen Frequenzen übersteigt, kein Problem in bezug auf die Stabilität bei niedrigen Frequenzen oder in bezug auf das Anschließen von Energieleitungen an die Anordnung vorhanden ist.

Eine Verstärkung wird erreicht, indem das zu verstärkende Signal an das eine Ende der Übertragungsleitung angelegt wird, so daß es sich in der Richtung fortpflanzt, in der die Ferritelemente eine niedrige Dämpfung ergeben. Das verstärkte Signal wird dann am anderen Ende abgenommen.

Wenn ein Betrieb als Oszillator gewünscht wird, hat die sich ergebende Instabilität Schwingungen mit negativem Widerstand bei derjenigen Frequenz zur Folge, für die die Anordnung eine Länge von einer halben Wellenlänge oder ein ungerades Vielfaches hiervon hat. Die mit Widerstand behafteten Seitenwände wirken weiterhin in def oben geschilderten Weise.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Breitbandige, nichtreziproke Einrichtung für elektromagnetische Wellenenergie mit einer Wellenleiteranordnung mit wenigstens zwei gegenüberliegenden, flachen, leitenden Flächen zum Aufnehmen einer elektromagnetischen Welle in einer Schwingungsart, bei der das elektrische Feld quer zu Ebenen, die sich längs der Achse des Wellenleiters erstrecken, vorherrscht und bei der das magnetische Feld Schleifen bildet, die in diesen Ebenen liegen, mit einem Element aus gyromagnetischem Material, das sich in dem Wellenleiter längs der Richtung der Wellenausbreitung erstreckt, und mit einer kapazitiven Belastung nahe diesem Element, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Belastung (14) eine Dielektrizitätskonstante hat, die so hoch ist, daß die Phasengeschwindigkeit der sich längs der Anordnung ausbreitenden Wellenenergie so weit verringert wird, daß sie kleiner als die Phasengeschwindigkeit der Wellenenergie im freien Raum ist, daß das magnetische Feld der Wellenenergie außerhalb der dielektrischen Belastung zirkulär polarisiert ist und daß das gyromagnetische Element (12, 13) durch ein Feld inhomogen vorgespannt wird, das nahe der kapazitiven Belastung intensiver als im Abstand von der kapazitiven Belastung ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Belastung (14) zum Herabsetzen der Phasengeschwindigkeit der Energie wenigstens auf ein Drittel derjenigen des freien Raumes ausgelegt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Belastung (14) durch ein Element aus einem Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante gebildet ist, das sich vollständig zwischen den beiden gegenüberliegenden leitenden Begrenzungen erstreckt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Belastung durch eine Mehrzahl leitender Stifte gebildet ist, die sich von einer der gegenüberliegenden leitenden Begrenzungen zur anderen erstrecken.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Belastung durch mindestens eine Diode (37, 39) gebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl Halbleiterdioden (37, 39) vorgesehen sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Band (41) aus einem halbleitenden Material vorgesehen ist, das entlang

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der Mittellinie einer leitenden Begrenzung angeordnet ist, sowie ein langgestrecktes leitendes Kontaktteil (42) für das Band vorgesehen ist, das sich entlang der Mittellinie der anderen leitenden Begrenzung erstreckt.

8. Einrichtung nach Ansprach 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Diode eine Tunneldiode vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch weitere gegen-

überliegende Begrenzungen (31, 32) der Wellenleiteranordnung aus stark dämpfendem Material.

In Betracht gezogene Druckschriften: 5 Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 038 622; französische Patentschrift Nr. 1187 275; USA.-Patentschrift Nr. 2 922 964; »IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques«, Oktober 1956, Vol. MTT 4, S. 241 bis ίο 243.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen