DE1213072B

DE1213072B - Nichtreziproker passiver Vierpol

Info

Publication number: DE1213072B
Application number: DEL32609A
Authority: DE
Inventors: Marie Pierre Prache; Bernard Chiron
Original assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Current assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Priority date: 1958-05-16
Filing date: 1959-03-03
Publication date: 1966-03-24
Also published as: GB882127A

Description

■BEUISEHES:

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 g - 34

Aktenzeicken: L 32609IX d/21 g
Anmeldetag: 3.Märzl959
Auslegetag: 24. März 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtreziproken passiven Vierpol, bei dem die Differenz der Über-

i trägungsexponenten in den beiden Übertragungsrichtungen einen Wert«? hat, der in Abhängigkeit

^: von der Frequenz in einem Frequenzband zwischen ^einigen hundert Kilohertz und einigen Megahertz behebig wählbar ist, mit einem ferromagnetischen Kern, an den ein magnetisches Gleichfeld in einer ersten Richtung angelegt ist, einer ersten und einer zweiten Wicklung, die magnetisch mit dem Kern gekoppelt sind und deren Achsen zueinander und zu der ersten Richtung senkrecht stehen, wobei jede der Wicklungen mit einem Klemmenpaar des Vierpols verbunden ist, und mit zwei Hilfsimpedanzen, von ■ denen die eine zwischen einer Klemme der ersten Wicklung und einer Klemme der zweiten Wicklung und die andere zwischen der anderen Klemme der ersten Wicklung und der anderen Klemme der zweiten ' Wicklung liegt.

Solche als »Gyratoren« bekannten nichtreziproken

-passiven Vierpole benutzen den gyromagnetischen Effekt, der in bestimmten magnetischen Materialien auftritt, wenn sie einem vormagnetisierenden magrie-¹ tischen Gleichfeld unterworfen werden. Meistens werden Ferrite mit geringer magnetischer Permeabilität als magnetische Materialien in diesen bekannten Anordnungen benutzt, aber die Eigenschaften dieser Materialien erlauben .nicht den üau von Schaltungen, die bei Frequenzen unterhalb einiger hundert Megahertz arbeiten können.

Für tiefere Frequenzen sind Ferrite mit einer hohen Anfangspermeabilität besser geeignet, aber bei diesen Materialien ist der mit der Form des magnetischen "^: Sehaltungsteiles verbundene Entmagnetisierungseffekt im allgemeinen zu stark, als daß ein zufriedenstellender Betrieb zustande käme.

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung solcher Gyratoren in der Weise, daß die Differenz m der Übertragungsexponenten für die beiden Übertragungsrichtungen in einem Frequenzband, das von einigen hundert Kilohertz bis zu einigen Megahertz geht, frei wählbar ist, so daß insbesondere auch bei wesentlich tieferen Frequenzen als bisher ein einwandfreier Betrieb des Gyrators möglich ist.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der ferromagnetische Kern einen ersten, in der ersten Richtung langgestreckten Teil und einen zweiten Teil aufweist, der in der ersten Richtung eine geringe Ausdehnung besitzt und in wenigstens zwei zueinander senkrechten, den Achsen der Wicklungen entsprechenden Richtungen eine größere Ausdehnung besitzt, daß wenigstens der mittlere Teil des Kerns Nichtreziproker passiver Vierpol

Anmelder:

Lignes Telegraphiques & Telephoniques, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz und Dr. rer. nat. G. Hauser,

Patentanwälte,

München-Pasing, Ernsberger Str. 19

Als Erfinder benannt:

Marie Pierre Prache, Versailles, Seine-et-Oise;
Bernard Chiron, Paris (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 16. Mai 1958 (765 687)

aus einem ferromagnetischen Material besteht, das ^a5 eine relative Anfangspermeabilität von wenigstens und eine Leitfähigkeit von höchstens 0,001 S/cm hat, und daß die Summe der Hilfsimpedanzen den Wert

3°

(Z₁Z₂

²) tanhi—

hat, worin Z₁ und Z₂ die Eigenimpedanzen der ersten bzw. zweiten Wicklung bei abgenommenen Hilfsimpedanzen sind und S die durch die gyromagnetischen Effekte in dem ferromagnetischen Kern hervorgerufene Übertragungsimpedanz zwischen den beiden Wicklungen ist.

Die angegebene Summe der Hilfsimpedanzen wird vorzugsweise dadurch erhalten, daß eine der Hilfsimpedanzen im wesentlichen den Wert

(Z₁Z₂

S²)tanhi—

hat und die andere Hilfsimpedanz aus einer direkten Verbindung besteht oder daß beide Hilfsimpedanzen

609 539/342

etwa den Wert der Hälfte von

(Z₁Z₂

haben.

Die Herabsetzung der Frequenzgrenze ergibt sich bei dem nach der Erfindung ausgeführten nichtreziproken Vierpol durch die besondere Form des ferromagnetischen Kerns in Verbindung mit seinen magnetischen Eigenschaften und der Bemessung der Hilfsimpedanzen. Bekanntlich ist das Produkt aus der Anfangspermeabilität .eines ferromagnetischen Materials und der gyromagnetischen Resonanzfrequenz annähernd konstant. Infolge der hohen Anfangspermeabilität des nach der Erfindung verwendeten Kernmaterials ist die gyromagnetische Resonanzfrequenz entsprechend niedrig. Diese gyromagnetische Resonanzfrequenz Hegt im Betriebsfrequenzbereich des Vierpols. Andererseits erlaubt die Form des Kerns eine einfache und wirksame Vormagnetisierung mittels eines von außen angelegten Gleichfeldes; dies ist erforderlich, weil ein Material mit der erforderlichen Anfangspermeabilität magnetisch weich ist und daher nicht durch eine Dauermagnetisierung magnetisiert werden kann. Zudem erlaubt diese Art der Magnetisierung gleichfalls eine Einwirkung auf die gyromagnetische Resonanzfrequenz, die bekanntlich außer von den Materialeigenschaften auch von der angelegten Vormagnetisierung abhängt. Die Bemessung der Hilfsimpedanzen gewährleistet schließlich die Einhaltung des gewählten Wertes m in dem Betriebsfrequenzbereich. _

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines nichtreziproken Vierpols nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Oberansicht eines Teiles der An- 40, Ordnung von F i g. 1,

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Vierpols und

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Vierpols.

Der in F i g'. 1 gezeigte Vierpol enthält einen Kern aus einem Stab 3 mit quadratischem Querschnitt aus ferromagnetischem Material, dessen Längsausdehnung in einer ersten Richtung liegt ( in der Zeichnung von oben nach unten), und aus einer kreisförmigen Scheibe 4 aus dem gleichen Material, deren radiale Ausdehnung in allen Richtungen senkrecht zu der Längsachse des Stabes 3 liegt. Die Scheibe 4 trägt zwei Wicklungen 5 und 6, deren Windungen durch . Löcher geführt sind, die in der Scheibe 4 angebracht sind. Die Achsen der Wicklungen 5 und 6 stehen senkrecht aufeinander und auf der Achse des Stabes 3. Die geometrische Anordnung der Wicklungen 5 und, 6 bewirkt, daß sie außer der durch den gyromagnetischen Effekt in dem Kern bedingten praktisch keine Gegeninduktivität besitzen.

Die Enden der Wicklung 5 sind an das eine Klemmenpaar 10, 11 und die Enden der Wicklung 6 an das andere Klemmenpaar 12, 13 des Vierpols angeschlossen. ~

Der ferromagnetische Kern wird einem magnetischen, ,Gleichfeld ausgesetzt," das in der erwähnten ersten >Richtung angelegt.und von einem Elektromagneten erzeugt wird, der aus einem Joch 14 und einer Wicklung 15 besteht und mit Gleichstrom aus der Batterie 16 über einen Stellwiderstand 17 gespeist wird wobei die Einstellung des Widerstandes 17 die Bemessung der Stärke des Gleichfeldes ermöglicht.

Fig. 2 zeigt eine Qberansicht, der Scheibe 4 mit den Wicklungen 5 und 6.

Die F i g. 3 und 4 zeigen zwei andere Ausführungsformen des Vierpols, die sich von derjenigen nach F i g. 1 durch die Form des Teiles des magnetischen Kerns unterscheiden, der senkrecht zu der Längsrichtung des Stabes 3· liegt und die Wicklungen 5 und 6 trägt. Die Anordnung nach F i g. 3 enthält an Stelle der Scheibe 4 ein Rad mit vier zueinander senkrechten Speichen, die sich radial senkrecht zu der Längsachse des Stabes 3 und zueinander erstrecken. Die Wicklungen 5 und 6 sind symmetrisch um diese Speichen gewickelt.

In Fig. 4 besteht der Kern aus dem Stab 3 und aus zwei weiteren Stäben mit quadratischem Querschnitt, die sich von der Mitte des Stabes 3 in zwei Richtungen erstrecken, die aufeinander und auf der Längsachse des Stabes 3 senkrecht stehen. Die Windungen der Wicklungen 5 und 6 sind um die zuletzt genannten Stäbe gewickelt, und zwar symmetrisch bezüglich der beiden Hauptsymmetrieebenen des Kerns, welche die Längsachse des Stabes 3 enthalten: Die Enden der beiden die Wicklungen tragenden Stäbe sind zugespitzt, damit die Entmagnetisierungseffekte vermindert werden.

Bei den Ausführungen nach F i g. 3 und 4 wird das notwendige vormagnetisierende magnetische Gleichfeld durch die gleiche Elektromagnetenanordnung wie bei der Anordnung von F i g. 1 erzeugt.

Bei den bisher geschilderten Anordnungen erfüllen die elektrischen Wechselspannungen und Wechselströme in den Wicklungen 5 und 6 bei einer gegebenen Frequenz unter Zugrundelegung der symmetrischen Vorzeichenregel die folgenden bekannten Beziehungen (Ableitung z.B. bei D.Polder, Philosophical Magazine, Vol. 40, Januar 1949, S. 99 bis 114):

V₁ = Z₁I^SI₂, V₂= -SI₁ + Z₂I₂

Dabei ist

V₁ die Spannung an den Klemmen 10 und 11 der Wicklung 5,

1₁ der Strom in der Wicklung 5,

F₂ die Spannung an den Klemmen 12 und 13 der Wicklung 6,

1₂ der Strom in der Wicklung 6,

Z₁ die Impedanz der Wicklung 5, gemessen bei

Leerlauf an den Klemmen 12 und 13,
Z₂ die Impedanz der- Wicklung 6, gemessen bei

Leerlauf an den Klemmen 12 und 13,
S die von dem gyromagnetischen Effekt in dem ferromagnetischen Kern hervorgerufene Über-■ tragungsimpedanz zwischen den Wicklungen 5

und 6. ·

Eine solche Anordnung hat nichtreziproke Eigenschaften wegen der Tatsache, daß sich das algebraische Vorzeichen des Ausdrucks S zwischen den beiden obigen Gleichungen ändert. Wenn die Schaltung auf die Eigenschaften beschränkt wäre, die sich aus vorstehenden Gleichungen ergeben, dann wäre ihre praktische Brauchbarkeit sehr gering,, weil diese Eigenschaften bei einer Frequenzänderung.erhebliche

5 6

Änderungen nach einem Gesetz erfahren würden, das Übertragungsrichtung einen relativ niedrigen endlichen

von den elektrischen Parametern der Anordnung und Wert hat und in der anderen Übertragungsrichtung

besonders von den Werten der gegenseitigen Streu- praktisch unendlich groß ist.

kapazitäten der Wicklungen abhängt. _{χ ώ F u ß h} / m \

Deshalb sind bei den Anordnungen von Fig. 1 5 \2/

bis 4 zusätzliche Schaltungsmaßnahmen vorgesehen. gleich 1 sein. Die Impedanz Z₃ muß deshalb den Wert Die Klemmen 10 und 12 der Wicklungen 5 und 6

sind bei allen dargestellten Ausführungsformen direkt ? . .

miteinander verbunden, während zwischen die beiden ' _ Z₃ — ä> + — [V)
anderen Klemmen 11 und 13 eine Hilfsimpedanz 18 io

mit dem Wert Z₃ eingeschaltet ist. haben.

In den allgemeinen Vierpolgleichungen Für diesen Fall wurde ein Vierpol in der in F i g. 1

_v _ ₇ j , ₇ j ,« gezeigten Form praktisch ausgeführt. Die Scheibe 4

y-L- ^u h Ϊ- ^n h, W _hatte 70 mm Durchmesser und 5 mm Dicke und

V₂ = Z₂₁ I₁ + Z₂₂ I₂ (4) ¹⁵ bestand aus einem Nickel-Zink-Ferrit mit einer

relativen Anfangspermeabilität von annähernd 2500.

sind dann die Koeffizienten von I₁ und I₂ nicht mehr Der mittlere Teil des Stabes 3 bestand ebenfalls aus

die gleichen wie in den oben gegebenen Gleichungen (1) Ferrit und hatte einen quadratischen Querschnitt von

und (2), weil die Impedanz 18 zu der Schaltung hinzu- 14.14 mm. Die Endteile des Stabes 3 konnten aus

gekommen ist. Wenn man diese Koeffizienten aus den ao Ferrit oder aus Weicheisen hergestellt werden. Jede

Werten Z₁, Z₂ und S in den Gleichungen (1) und (2) der Wicklungen 5 und 6 enthielt vier symmetrisch

und aus dem Wert Z₃ der Impedanz 18 ausrechnet angeordnete Windungen, d. h. zwei auf jeder Seite

und zur Vereinfachung annimmt, daß die Wick- .des Stabes 3. Diese Windungen liefen durch Löcher

lungen 5 und 6 die gleiche Windungszahl haben, so in der Scheibe, deren Durchmesser 3,5 mm betrug,

daß ihre Impedanzen Z₁ und Z₂ gleich dem gemein- 25 Die Impedanz 18 bestand aus einem Kondensator

samen Wert Z sind, findet man: von 20 pF in Reihe mit einem Antiresonanzkreis, der

. . ₂ aus einem Kondensator von 4pF parallel zu einer

Z_n = Z₂₂ = , (5) Spule bestand, die aus 40 Windungen von isoliertem

2 Z + Z₃ Leitungsdraht um einen Kern mit quadratischem

72 1 02 c 7 ³° Querschnitt mit einem Außendurchmesser von 28 mm,

Z_1% = ' ³ _t (6) einem Innendurchmesser von 18 mm und einer Dicke

2Z + Z₃ · von 5 mm gewickelt war. Der Spulenkern bestand

aus einem Nickel-Zink-Ferrit mit einer Anfangs-

Z₂₁ => ^{+ + 3} . (7) permeabilität von 700 für niedere Frequenzen. Die

2 Z + Z₃ ' 35 Stärke des Gleichfeldes in der Mitte der Scheibe

betrug 0,9 Oersted. Sie wurde zunächst dadurch

Man kann auch zeigen, daß der Wert m der Dif- erreicht, daß der Stab 3 zwischen die Polschuhe eines

ferenz zwischen den den beiden möglichen Über- Elektromagneten gebrächt wurde, aber später wurde

tragungsrichtungen der Schaltung entsprechenden gefunden, daß das Gleichfeld auch von zwei Perma-

Übertragungsexponenten bei jedem beliebigen Wert 4° nentmagneten erzeugt werden konnte, die an den

der angeschlossenen äußeren Impedanzen gegeben ist Enden des Stabes 3 angesetzt wurden. Wenn diese

durch Anordnung zwischen eine Signalquelle mit der

g2 Impedanz 500 Ohm und eine Abschlußimpedanz von

tanh — = —. (8) der gleichen Größe geschaltet wurde, war die Dämp-

2 Z² + S² 45 fung _m der einen Fortpflanzungsrichtung bei allen

Frequenzen zwischen 2,5 und 5 Megahertz größer als

Die Werte von Z und S können als Funktionen 40 Dezibel, während sie in der anderen Richtung der Frequenz aus Messungen nach irgendeinem annähernd 15 Dezibel bei 2,5 Megahertz betrug und üblichen Verfahren an einem Klemmenpaar des bei höheren Frequenzen bis auf 9 Dezibel bei 5 MegaVierpols experimentell bestimmt werden, wobei das 50 hertz abnahm.

andere Klemmenpaar bei abgeschalteter Impedanz Z₃ Die in Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungs-

entweder kurzgeschlossen ist oder leer läuft. Aus der formen mit direkter Verbindung zwischen den Klem-

Gleichung (8) erhält man dann den Wert von Z₃ als men 10 und 12 eignen sich insbesondere für den Fall,

Funktion der Frequenz, wenn m selbst eine vor- daß der Vierpol in einer unsymmetrischen, einseitig

gegebene Funktion der Frequenz ist. Es ist zu be- 55 an Masse liegenden Schaltung verwendet werden soll,

merken, daß bei einer solchen experimentellen Be- Wenn die Anordnung für einen Einbau in eine

Stimmung von S auch die unvermeidlichen Streu- symmetrische Schaltung vorgesehen ist, kann der

kapazitäten zwischen den Wicklungen berücksichtigt Wert der Impedanz Z₃ in gleicher Weise wie zuvor

werden. berechnet werden, aber sie wird dann in zwei Impe-

Wenn die Werte von Z und S so für alle nötigen 60 ^ aufgetaut, von denen die eine Frequenzen bekannt sind, bestimmt die Gleichung (8) 2 ^ö '
die Impedanz Z₃ als Funktion der Frequenz. Hierauf zwischen den Klemmen 10 und 12 und die andere kann mit einer der bekannten Zweipol-Synthese- zwischen den Klemmen 11 und 13 angeschlossen wird, .-methoden näherüngsweise eine Schaltungsanordnung Die Berechnung kann leicht auf den Fall ausbestimmt werden, welche die für die Impedanz Z₃ 65 gedehnt werden, daß die Wicklungen 5 und 6 vergeforderte Frequenzabhängigkeit hat. ■ schiedene Windungszahlen haben. Wenn man mit

Eine der häufigsten Bedingungen für einen solchen Z₁ bzw. Z₂ die Impedanzen der beiden Wicklungen

Vierpol besteht darin, daß die Dämpfung in der einen', entsprechend der zuvor angegebenen Definition be-

zeichnet, lauten die oben gegebenen Gleichungen-(8) und (9) für tanh i^fj und. Z₃ :

. ,in
tanh.— =
2

SZ,

Z₁Z₂ + S* ο , Z₁Z₂

(10) '

(11)

Kern hervorgerufene Übertragungsimpedanz zwischen den beiden Wicklungen ist.

2.· Nichtreziproker Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Hufsimpedanzen im wesentlichen den Wert ■

S²)tanh(—

Die letzte Gleichung liefert wie vorher den Wert der Hilfsimpedanz 18, die man zwischen die beiden Wicklungen schalten muß, um einen praktisch nur in einer Richtung übertragenden Vierpol zu erhalten.

Die gesamte so bestimmte Impedanz kann wieder, wie in F i g. 1, 3 und 4 gezeigt, zwischen die Klemmen und 13 geschaltet werden, wobei dann zwischen den beiden anderen Klemmen 10 und 12 eine direkte Verbindung vorgesehen ist; man kann auch, Wenn man ein symmetrisches System wünscht, zwei gleiche

Impedanzen, die beide den Wert -*- haben, einerseits

zwischen den Klemmen 11 und 13 und andererseits ■zwischen den Klemmen 10 und 12 anschließen.

Claims

Patentansprüche: ■

1. Nichtreziproker passiver Vierpol, bei dem die Differenz der Übertragungsexponenten in den - beiden Übertragungsrichtungen einen Wert m hat, «" der in Abhängigkeit von der Frequenz in einem Frequenzband zwischen einigen hundert Kilohertz und einigen Megahertz beliebig wählbar ist, mit einem ferromagnetischen Kern, an den ein magnetisches Gleichfeld in einer ersten Richtung angelegt ist, einer ersten und einer zweiten Wicklung, die magnetisch mit dem Kern gekoppelt sind ^; und deren Achsen zueinander und zu der ersten Richtung senkrecht stehen, wobei jede der Wicklungen mit einem Klemmenpaar des Vierpols ^: verbunden ist, und mit zwei Hilfsimpedanzen, von 40 · denen die eine zwischen einer Klemme der ersten Wicklung und einer Klemme der zweiten Wicklung und die andere zwischen der anderen Klemme der ersten Wicklung und der anderen Klemme der zweiten Wicklung Hegt, dadurch g e k e η η - · zeichnet, daß der ferromagnetische Kern einen ersten, in der ersten Richtung langgestreckten Teil und einen zweiten Teil aufweist, der in der ersten Richtung eine geringe Ausdehnung besitzt ^: und in wenigstens zwei zueinander senkrechten, g₀ ^: den Achsen der Wicklungen entsprechenden Rieh- _; turigen eine größere Ausdehnung besitzt, daß wenigstens der mittlere Teil des Kerns aus einem ^; „ ferromagnetischen Material besteht, das eine Anfangspermeabih'tät von wenigstens 1000 und eine Leitfähigkeit von höchstens 0,001 S/cm hat, und daß die Summe der Hilfsimpedanzen den Wert

(Z₁Z₂ + S²) tanh —
\2

So

hat, worin Z₁ und Z₂ die Eigenimpedanzen der ersten bzw. zweiten Wicklung bei abgenommenen Hilfsimpedanzen sind und S die durch die gyromagnetischen Effekte in dem ferromagnetischen hat und die andere Hilfsimpedanz aus einer direkten Verbindung besteht.

3. Nichtreziproker Vierpol nach Anspruch 1, ■dadurch gekennzeichnet, daß beide Hilfsimpedanzen etwa den Wert der Hälfte von

(Z₁Z₂ + S²) tanh Γ

haben. " " .

4. Nichtreziproker Vierpol, gemäß Anspruch 1, . bei dem die Dämpfung in der einen Übertragungsrichtung sehr gering und in der anderen'Übertragungsrichtung praktisch unendlich groß ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Huf simpedanzen den Wert

hat.

( 5. Niehtreziproker Vierpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil des magnetischen Kerns

: die Form' einer runden Scheibe mit Löchern hat, durch die die Wicklungen gelegt sind.

6. Nichtreziproker Vierpol nach einem der ·-- Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil des magnetischen Kerns die Föhn eines yierspeichigen Rades hat, wobei die Speichen senkrecht zu der ersten Richtung und in gleichen Abständen voneinander Hegen, 'und daß die Wicklungen um die Speichen gelegt sind.

7. Nichtreziproker Vierpol nach einem der 'vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der mittlere Teil des Kerns aus Ferritmaterial besteht.

8. Nichtreziproker Vierpol nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ferritmateriäl ein Nickel-Zink-Ferrit ist;

9. Nichtreziproker Vierpol nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen des magnetischen Gleichfeldes aus einem Elektromagneten besteht, der über einen einstellbaren Widerstand von einer Gleichstromquelle gespeist wird.

10. Nichtreziproker Vierpol nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum- Anlegen des magnetischen Gleichfeldes zumindest einen Permanentmagneten enthält.

In Beträcht gezogene Druckschriften:
Deutsehe Patentschrift Nr. 916-333;
»Frequenz«, Bd. 8, Nr. 7, S. 201 bis 204 (Juli 1954); »The Journal of the Acoustical Society of America«, Vol. 18, Nr. 2, S. 344 bis 347 (Oktober 1946).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 539/342 3.66 © Bundesdruckerei Berlin