DE1228321B

DE1228321B - Non-reciprocal quadrupole

Info

Publication number: DE1228321B
Application number: DE1964S0089390
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Josef Deu Dipl-Phys
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-02-05
Filing date: 1964-02-05
Publication date: 1966-11-10

Description

Nichtreziproker Vierpol Die Erfindung betrifft einen nichtreziproken Vierpol für kurze elektromagnetische Wellen, insbesondere für den Bereich der Meterwellen, bestehend aus einer Streifenleitung, auf deren mit einer kammartigen Verzögerungsstruktur versehenem streifenförinigen Innenleiter wenigstens ein unter dem Einfluß eines magnetischen Gleichfeldes stehender Streifen ,aus einem gyromagnetischen Material derart aufgebracht ist, daß er den Innenleiter in axialer Richtung nur teilweise überdeckt.Non-reciprocal quadrupole The invention relates to a non-reciprocal quadrupole Quadrupole for short electromagnetic waves, especially for meter waves, consisting of a stripline on which a comb-like delay structure provided strip-shaped inner conductor at least one under the influence of one constant magnetic field of standing strips, made of a gyromagnetic material is applied in such a way that it only partially extends the inner conductor in the axial direction covered.

Bekanntlich wird unter einem nichtreziproken Vierpol eine Anordnung *verstanden, die elektroniagnetische, Energie in einer Richtung nahezu verlustlos überträgt, während in der anderen Richtung sich ausbreitende elektromagnetische Energie einer sehr großen Dämpfung unterworfen ist. Gleichermaßen läßt sich auch die Phase der in der einen Richtung übertragenen Energie um einen bestimmten Winkelbetrag drehen, während die in der anderen Richtung sich ausbreitende elektromagnetische Energie die nielltreziproke Anordnung mit einer anderen Phasenirchung durchläuft. Derartige Anordnungen lassen sich vorteilhaft dort einsetzen, wo es darum geht, elektrische Schaltkreise möglichst rückwirkungsfrei miteinander zu verbinden. Bei solchen nichtreziproken Vier-polen wird in der Regel das Resonanz# verhalten gyromagnetischer Stoffe ausgenutzt. Der gyromagnetische Stoff ist hierbei im Innern eines Wellenleiters angeordnet und wird mit Hilfe von einem außerhalb des Wellenleiters angebrachten Magnetsystem vormagnetisiert. Der nichtreziproke Charakter beruht auf der Eigenresonanz der Präzessionsbewegung der magnetischen Momente des gyromagnetischen Materials. Nichtreziproke Vierpole wurden zunächst im Bereich der sehr kurzen elektromagnetischen Wellen, also im Bereich der Mikrowellen bekannt, da nämlich für das Auftreten einer nichtreziproken Resonanzabsorption das gyromagnetische Material an solchen Stellen des Wellenleiters angeordnet sein muß, an denen die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes eine zirkulare bzw. eine elliptische Polarisation aufweist. Da im Mikrowellenbereich als Wellenleiter vorzugsweise Hohlleitungen Verwendung finden und da bei sich in Hohlleitungen fortpflanzender elektromagnetischer Energie in der Regel ohnehin zirkular polarisierte Anteile des magnetischen Wechselfeldes vorhanden sind, ist es dort verhältnismäßig einfach, Vierpole mit nichtreziprokem Charakter zu realisieren. Will man jedoch im Bereich der Meterwellen bzw. der längeren Dezimeterwellen solche nichtreziproken Vierpole realisieren, dann treten hierbei zum Teil erhebliche Schwierigkeiten auf, die'vor allem darin zu sehen sind, daß Hohlleitungen im Be- reich der Meterwellen außerordentlich große Abmessungen annehmen und somit unhandlich und raumverbrauchend werden. Es kommt ferner hinzu, daß der gyromagnetisch#e Werkstoff solche Eigenschaften und eine solche Form besitzen muß, daß die gyromagnetische Resonanzfrequenz hinreichen.d,tief ist, d. h. also ebenfalls im Bereich der Meterwellen liegt.As is well known, a non-reciprocal quadrupole is understood to mean an arrangement * which transmits electronic-diagnostic energy in one direction with almost no loss, while electromagnetic energy propagating in the other direction is subject to very high attenuation. In the same way, the phase of the energy transmitted in one direction can also be rotated by a certain angular amount, while the electromagnetic energy propagating in the other direction passes through the normal reciprocal arrangement with a different phase direction. Such arrangements can advantageously be used wherever electrical circuits need to be connected to one another with as little reaction as possible. In the case of such non-reciprocal four-poles, the resonance behavior of gyromagnetic materials is usually used. The gyromagnetic material is arranged inside a waveguide and is premagnetized with the aid of a magnet system attached outside the waveguide. The non-reciprocal character is based on the natural resonance of the precession movement of the magnetic moments of the gyromagnetic material. Non-reciprocal quadrupoles were initially known in the area of very short electromagnetic waves, i.e. in the area of microwaves, because for the occurrence of non-reciprocal resonance absorption, the gyromagnetic material must be arranged at those points of the waveguide at which the magnetic component of the electromagnetic field has a circular or has an elliptical polarization. Since hollow lines are preferably used as waveguides in the microwave range and since electromagnetic energy propagating in hollow lines usually already contains circularly polarized components of the alternating magnetic field, it is relatively easy there to implement four-pole with a non-reciprocal character. You want but in the field of meter waves or the longer decimeter realize such non-reciprocal four poles, then contact this some considerable difficulties, especially die'vor are to be seen in that hollow lines in the field of meter waves accept extremely large dimensions and therefore impractical and become space consuming. There is also the further that the gyromagnetisch # e material must have such properties and a shape such that the gyromagnetic resonance frequency hinreichen.d, is deep, d. H. so is also in the range of meter waves.

Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, ist bereits eine Anordnung bekanntgeworden, bei der zum Aufbau eines nichtreziproken Vierpols eine, Koaxialleitung Verwendung findet. Da in einer ungestörten Koaxialleitung die magnetische Feldkomponente des elektromagnetischen Feldes nirgendwo zirkular polarisiert ist, ist es erforderlich, das Feld der Koaxialleitung (TEM-Welle) so zu verzerren, daß eine Längskomponente des magnetischen Wechselfeldes entsteht, ohne die ein nichtreziprokes Verhalten nicht auftreten kann. Bei dieser bekannten Anordnung wird diese Feldverzerrung durch einen in die Koaxialleitung eingefügten Abschnitt aus einem dielektrisehen Material bewirkt, das den Querschnitt der Koaxialleitung nur zum Teil ausfüllt. An den Grenzflächen zwischen dem Dielektrikum und dem übrigen die Koaxialleitung erfüllenden Medium ist das gyromagnetische Material in unmittelbarer Nachbarschaft der Innenwand des Außenleiters angeordnet.In order to circumvent these difficulties, an arrangement has already become known in which a coaxial line is used to set up a non-reciprocal quadrupole. Since the magnetic field component of the electromagnetic field is nowhere circularly polarized in an undisturbed coaxial line, it is necessary to distort the field of the coaxial line (TEM wave) in such a way that a longitudinal component of the alternating magnetic field is created without which non-reciprocal behavior cannot occur. In this known arrangement, this field distortion is brought about by a section made of a dielectric material which is inserted into the coaxial line and only partially fills the cross section of the coaxial line. At the interfaces between the dielectric and the rest of the medium filling the coaxial line, the gyromagnetic material is arranged in the immediate vicinity of the inner wall of the outer conductor.

Es ist weiterhin eine Anordnung bekanntgeworden, bei der der nichtreziproke Vierpol mit Hilfe einer Streifenleitung aufgebaut ist. Hierbei sind zu beiden Seiten eines streifenartigen Innenleiters Streifen aus einem gyromagnetischen Material derart angeordnet, daß sie den Innenleiter zum Teil überlappen. Bei dieser Anordnung werden dem gyromagnetischen Material zweierlei Funktionen zugeordnet, nämlich die des nichtreziproken Werkstoffes und die der Verzerrung des elektromagnetischen Feldes. Jedoch ist es nun nötig, -dem Werkstoff. eine Form zu geben, die einmal für die Verzerrung des Feldes günstig ist, zum anderen aber soll die Form auch für die Resonanzbedingungen der gyromagnetischen Resonanz bei tiefen Frequenzen.günstig sein. Nach. den heute vorliegenden Erkenntnissen scheinen sich diese beiden Forderungeh# nicht gleichzeitig optimal erfüllen zu lassen.It has also become known an arrangement in which the non-reciprocal Quadrupole is constructed with the help of a stripline. Here are on both sides of a strip-like inner conductor strip made of a gyromagnetic material arranged so that they partially overlap the inner conductor. With this arrangement two functions are assigned to the gyromagnetic material, namely the of the non-reciprocal material and the the distortion of the electromagnetic Field. However, it is now necessary - the material. to give a shape that once is favorable for the distortion of the field, but on the other hand the shape should also be used for the resonance conditions of the gyromagnetic resonance at low frequencies be. To. According to the knowledge available today, these two requirements not to be optimally fulfilled at the same time.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend geschilde#rten. Schwierigkeiten in vethältnismäßig einfacher Weise zu mindern. Unter anderem soll erreicht werden, daß die oben bereits erwähnte nötige Verzerrung des elektromagnetischen Feldes nicht mehr nur von der Form des gyromagnetischen Werkstoffes abhängt.The invention is based on the object described above. To alleviate difficulties in a relatively simple manner. Among other things, should can be achieved that the above-mentioned necessary distortion of the electromagnetic Field no longer depends only on the shape of the gyromagnetic material.

Ausgehend von einem nichtreziproken Vierpol für kurze elektromagnetische Wellen,-insbegondere für den Bereich der Meterwellen, bestehend aus einer Str--ifenleitung, auf -deren mit einer kammartigeff Verzögerungsstruktur versehenen streifenförmigen Innenleiter wenigstens ein unter dem Einfluß eines magnetischen Ö7l#Ichieldes -stehender Streifen aus einem gyromagnetischen Material derart aufgebracht ist, daß er den Innenleiter in axialer Richtung nur teilweise überdeckt, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der streifenförmige Innenleitex auf beiden Seiten 'mit einer kammartigen Verzögerungsärätur versehen ist und daß die Kammstruktur auf -den beiden Seiten unterschiedlich ausgebildet sind. Eskann z.B. die Tiefe der Einschnitte verschieden tief gewählt und/oder der Abstand der Zinken und/oder deren Breite verschieden groß bemessen sein.Starting from a non-reciprocal quadrupole for short electromagnetic Waves, especially for meter waves, consisting of a string line, on the strip-shaped ones provided with a comb-like delay structure Inner conductor at least one under the influence of a magnetic oil # Ichieldes - standing Strip of a gyromagnetic material is applied so that he Inner conductor only partially covered in the axial direction, this object is achieved according to the invention solved in that the strip-shaped Innenleitex on both sides' with a comb-like delay device is provided and that the comb structure on the two Pages are designed differently. For example, the depth of the incisions can be different Chosen deep and / or the distance between the prongs and / or their width of different sizes be measured.

Hierbei ist es günstig, wenn die aus gyromagnetischem Material bestehenden Streifen entweder auf der Seite des Innenleiters angeordnet sind, auf der die Kammzinken den größeren Abstand voneinander haben, oder auf der Seite des Innenleiters angeordnet sind,'auf der die Kamm inken den kleiner-en Ab- stand voneinander haben.It is advantageous here if the strips made of gyromagnetic material are arranged either on the side of the inner conductor on which the comb teeth have the greater distance from one another, or on the side of the inner conductor on which the comb teeth are smaller Have a distance from one another.

Eine für die Praxis günstige Ausführungsform läßt sich-ferner dadurch erzielen, daß die Streifenleitung in ihrer einen Hälfte mit einem festen Dielektrikum derart aufgefüllt ist, daß der Innenleiter und die aus gyromagnetischem Material bestehenden Streifen in der zur Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Energie senkrechten Richtung nur teilweise vom Dielektrikum überdeckt sind.An embodiment which is favorable in practice can also be thereby achieved achieve that the strip line in its one half with a solid dielectric is filled in such a way that the inner conductor and the gyromagnetic material existing stripes in the direction of propagation of the electromagnetic energy perpendicular direction are only partially covered by the dielectric.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below.

In den F i g; 1 uncl 2 der Zeichnung ist ein nichtreziproker Vierpol schematisch dargestellt, zu dessen Aufbau eine Streifenleitung verwendet ist. Die F i g. 2 stellt einen Längsschnitt längs der Schnittlinie A-B der in der F i g. 1 im Querschnitt gezeichneten Anordnung dar. In einem metallischen Außenleiter 1 mit rechteckförmigem Querschnitt ist ein streifenförmiger Innenleiter 2 vorgesehen, an dessen Unter- und Oberseite die aus gyromagnetischem Material bestehenden Streifen 3 und 3' angeordnet sind. Als gyromagnetisches Material kommen hierbei beispielsweise Magnesium-Mangan-Fe,rrite oder auch Yttrium-Eisen-Granat in Frage. Die gyromagnetischen Plättchen 3 und 3' stehen unter dem Einfluß eines magnetischen Gleichieldes, das2 'beispielsweise von den beiden Dauermagneten -(N, S) 4 und 4' erzeugt wird. Der magnetische Fluß der beiden Dauermagneten wird Über ' ein aus einem magnetischen Material bestehendes Joch- 5 geschlossen. Wie der F i g. 2 zu - entnehmen ist, hat der Innenleiter 2 die Form eines zu beiden Seiten mit den ungleichen Zinken 6 und 7 versehenen Kamm-es. Diese kammartige Aus * bildung des Innenleiters -hat die Wirkung einer Verzögerungsstruktur, wodurch die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in den beiden Hälften der Streifenleitung verschieden groß ist. Diese unterschiedliche Phasengeschwindigkeit bringt dann die für das Auftreten der gyromagnetischen Resonanz erforderliche zirkulare bzw. elliptische Polarisation, d. h. also eine in Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Welle zeigende Komponente der in&-gnetischen Feldkomponente. Die Dimiensionierung der Verzögerungsstruktur hängt im einzelnen wesentlich von den Abmessungen und den Eigenschaften des gyromagnetischen Werkstoffes sowie äi'fch vo der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle ab. Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchuff-' gen gezeigt haben, ist es bei Magnesium-Mangan-Fer'riten günstig, die Streifen 3 und Y, wie in d## F i ` g. 1 und 2 dargestellt, -über den,Zinken- 6 mit dem kleineren gegenseitigen Abstand der kammförmigeii Innenleiters anzuordnen. Hingegen ist es bei A.er#, Verwendung von Yttrium-Eisen-Granat als gyromagnetischer Werkstoff günstiger, die Plättchen3 und 3' Über den weiter auseinanderstehenden Zinken 7 des Innenleiters 2 anzuordnen. Ein erheblicher Vorteil des beidseitig mit Verzögerungsstrukturen'. unterschiedlicher Verzögerung versehenen Innenleiters ist vor allem auch darin zu seh#ii, daß durch verhältnismäßig einfache mechanische Maßnahmen ' -nämlidh durch die unterschiedliche Breite und den unterschiedlichen Abstand der Kanunzinken, die Phasengeschwindigkeiten der elektromagnetischen Welle in beiden Hälften der Streifenleitung beliebig steuerbar sind. Bei Richtungsleitungen ergeben sich auf Grund der beidseitigen Kammstruktur verhältnismäßig hohe Dämpfungswerte, so daß mit einem Bauelement von verhältnismäßig kurzer Baulänge bereits hohe Anforderungen an die Rückflußdämpfung erfüllt werden können.In the fig; 1 and 2 of the drawing, a non-reciprocal quadrupole is shown schematically, for the structure of which a stripline is used. The F i g. FIG. 2 shows a longitudinal section along the section line AB in FIG. 1 shows the arrangement shown in cross-section. In a metallic outer conductor 1 with a rectangular cross-section, a strip-shaped inner conductor 2 is provided, on the bottom and top of which the strips 3 and 3 ' made of gyromagnetic material are arranged. As a gyromagnetic material, for example, magnesium-manganese-Fe, rrite or yttrium-iron-garnet come into question. The gyromagnetic platelets 3 and 3 ' are under the influence of a magnetic constant field, which 2' is generated, for example, by the two permanent magnets - (N, S) 4 and 4 '. The magnetic flux of the two permanent magnets is about 'an existing of a magnetic material yoke 5 is closed. Like the fig. To 2 - can be seen, the inner conductor has the shape of a 2 on both sides with the uneven teeth 6 and 7 provided comb it. This comb-like formation -has Off * of the inner conductor, the effect of a delay structure, thus the phase velocity of the electromagnetic wave in the two halves of the strip line is different in size. This different phase velocity then brings about the circular or elliptical polarization required for the occurrence of the gyromagnetic resonance, i. H. thus a component of the in & -gnetic field component pointing in the direction of propagation of the electromagnetic wave. The dimensioning of the delay structure depends essentially on the dimensions and the properties of the gyromagnetic material as well as on the wavelength of the electromagnetic wave. As investigations on which the invention is based have shown, in the case of magnesium-manganese ferrites it is advantageous to use strips 3 and Y, as shown in FIG . 1 and 2, -over the, prongs- 6 with the smaller mutual spacing of the comb-shaped inner conductor to be arranged. On the other hand, with A.er #, using yttrium-iron-garnet as a gyromagnetic material, it is more favorable to arrange the platelets 3 and 3 ' over the prongs 7 of the inner conductor 2, which are further apart. A significant advantage of using delay structures on both sides. different delay inner conductor provided is above all to see # ii, that -nämlidh the electromagnetic wave therein by relatively simple mechanical measures' by the different widths and different spacing of the canoe tines, the phase velocities in the two halves of the strip line arbitrarily controllable. In the case of directional lines, the comb structure on both sides results in relatively high attenuation values, so that even with a component with a relatively short overall length, high demands on return attenuation can be met.

In der F i g. 2 ist der Einfachheit halber eine Kammstruktur dargestellt, bei der nur die Abstände der zu beiden Seiten liegenden Kammzinken voneinander unterschiedlidli sind. In gleicher Weise läßt sich eine unterschiedliche Verzögerungsstruktur auch dadurch erzielen, daß z. B. bei gleicher Breite und gleichem Abstand der Kammzinken die für die Ausbildung der Kammzinken erforderliche Einschiiittiefe zu beiden Seiten der Streifenleitung unterschiedlich gewählt wird oder daß bei gleichem Abstand und gleicher Einschnittiefe die Breite der Kanunzinken unterschiedlich ist. Ebenso sind auch beliebige Kombinationen dieser einzelnen Möglichkeiten denkbar.In FIG. 2, for the sake of simplicity, a comb structure is shown in which only the distances between the comb teeth lying on both sides are different from one another. In the same way, a different delay structure can also be achieved in that, for. B. with the same width and the same distance of the comb teeth required for the formation of the comb teeth is selected differently on both sides of the stripline or that with the same distance and the same incision depth, the width of the Kanunzinken is different. Any combinations of these individual possibilities are also conceivable.

Wie bereits erwähnt, ist die in den F i g. 1 und 2 gezeichnete Anordnung zur besseren Übersicht nur schematisch dargestellt. Aus diesem Grunde sind auch die zur Befestigung des Innenleiters 2 bzw. der Streifen 3 zur Halterung erforderlichen Stützen nicht gezeichnet. Ebenso sind auch übergangsstücke zum Übergang von der Streifenleitung auf eine koaxiale oder eine symmetrische Leitung in der Zeichnung nicht dargestellt, da sie im einzelnen zum Verständnis der Anordnung nicht beitragen würden.As already mentioned, the one shown in FIGS. 1 and 2 shown arrangement for a better overview only schematically. For this reason, the supports required for fastening the inner conductor 2 or the strips 3 for mounting are not shown. Transition pieces for the transition from the stripline to a coaxial or symmetrical line are also not shown in the drawing, since they would not contribute to an understanding of the arrangement in detail.

Die F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem in einem rechteckigen Außenleiter 1 ein zu beiden Seiten mit einer Verzögerungsstruktur versehener Innenleiter 2 angeordnet ist. Die Streifenleitung ist teilweise mit einem aus einem dielektrischen Material bestehenden Körper 8 ausgefüllt. Der Innenleiter 2 und die aus gyromagnetischem Material bestehenden Streifen 3 und 3' ragen teilweise in das Dielektrikum 8 hinein. Bei einer derartigen Anordnung ist bei der Bemessung der Verzögerungsstrukturen außer den Abmessungen und den Eigenschaften des gyromagnetischen, Werkstoffes und der Wellenlänge noch im wesentlichen die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials 8 zu berücksichtigen.The F i g. 3 shows a further exemplary embodiment in which an inner conductor 2 provided with a delay structure on both sides is arranged in a rectangular outer conductor 1. The strip line is partially filled with a body 8 made of a dielectric material. The inner conductor 2 and the strips 3 and 3 ′ made of gyromagnetic material partially protrude into the dielectric 8 . In such an arrangement, in addition to the dimensions and the properties of the gyromagnetic material and the wavelength, the dielectric constant of the dielectric material 8 has to be taken into account when dimensioning the delay structures.

Claims

Claims: 1. Non-reciprocal quadrupole for short electromagnetic waves, in particular for the meter wave range, consisting of a strip line, on whose strip-shaped inner conductor provided with a comb-like delay structure, at least one strip of a gyromagnetic material under the influence of a constant magnetic field is applied in such a way that it only partially covers the inner conductor in the axial direction, which is characterized in that the strip-shaped inner conductor is provided with a comb-like delay structure on both sides and that the comb structures are designed differently on the two sides.

2. Non-reciprocal quadrupole according to claim 1, characterized in that the strips consisting of gyromagnetic material are arranged on the side of the inner conductor on which the comb inken have the greater distance from one another. 3. Non-reciprocal quadrupole according to claim 1, characterized in that the strips made of gyromagnetic material are arranged on the side of the inner conductor on which the teeth of the comb have the smaller distance from one another. 4. Non-reciprocal quadrupole according to one of the preceding claims, characterized in that the strip line is filled in one half with a solid dielectric such that the inner conductor and the strip consisting of gyromagnetic material in the direction perpendicular to the direction of propagation of the electromagnetic energy only partially from Dielectric are covered. Considered publications: "Hochfrequenztechnik und Elektroakustik", September 1963, pp. 138 to 146.