DE1257908B - Breitbandige, nichtreziproke Daempfungseinrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIp

H03h
Deutsche Kl.: 21 a4 - 74

Nummer: 1257 908

Aktenzeichen: W 32456IX d/21 a4

Anmeldetag: 20. Juni 1962

Auslegetag: 4. Januar 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine breitbandige, nichtreziproke Dämpfungseinrichtung für elektromagnetische Wellenenergie mit einem Abschnitt eines rechteckigen Hohlleiters mit ungleich breiten Wandpaaren, mit einem länglichen, sich längs des Hohl- leiters erstreckenden Element aus gyromagnetischem Material schmaler Resonanzlinienbreite, das in dem Hohlleiter angeordnet ist und sich nur auf einer Seite der Längsmittellinie des Hohlleiters erstreckt, wobei die Ausdehnung längs der breiten Wandseite sehr viel größer als die Ausdehnung längs der schmalen Wandseite ist und eine ein magnetisches Feld erzeugende Einrichtung zum Vorspannen des Elementes vorgesehen ist.

Es ist bekannt, ein gyromagnetisehes Element, z. B. einen Ferritkörper, im Ausbreitungsweg elektromagne- ¹S tischer Wellen asymmetrisch zu deren Feldverlauf anzuordnen und dieses Element bis zu einem Punkt vorzumagnetisieren, bei dem gyromagnetische Resonanz bei der Frequenz der zugeführten Wellenenergie auftritt. Mikrowellen, die in der einen Richtung laufen, werden stark gedämpft, in der anderen Richtung jedoch nur geringfügig. Solche nichtreziproken Einrichtungen sind als Richtungsleitungen bekannt. Die angestrebten Idealeigenschaften einer Richtungsleitung sind möglichst kleine Dämpfung in Vorwärtsrichtung, »5 aber möglichst große Dämpfung in Sperrichtung sowie eine möglichst gute Frequenzabhängigkeit.

Die vorbeschriebenen Einrichtungen leiten ihr nichtreziprokes Verhalten von dem Umstand ab, daß in einem rechteckigen Hohlleiter eine parallel zur sehmalen Wandseite liegende Ebene existiert, in der das hochfrequente magnetische Feld der im Hohlleiter fortschreitenden Welle eine Querkomponente und eine Längskomponente gleicher Amplitude hat. Diese beiden Komponenten sind um 90° phasenverschoben. Das Feld ist also zirkulär polarisiert und scheint für entgegengesetzte Ausbreitungsrichtungen in unterschiedlichem Drehsinn zu rotieren. Gyromagnetische Materialien, die in dieser Ebene angeordnet sind, reagieren jeweils unterschiedlich auf die unterschiedlich rotierenden Komponenten. Die Lage dieser Ebene hängt jedoch von der Frequenz der Welle ab, und deshalb hat ein festes Element ein frequenzabhängiges Verhältnis zwischen den Komponenten, die im gewünschten Drehsinn rein zirkulär polarisiert sind, und den (in der Minderheit vorhandenen) Konpomenten, die im entgegengesetzten Drehsinn rotieren. Da die letzteren Komponenten den nichtreziproken Effekt in einer Richtungsleitung durch Erhöhen der Vorwärtsdämpfung und durch Verringern der Sperrdämpfung abschwächen, macht ihre Anwesenheit die Vorrichtung sehr frequenzabhängig.

Breitbandige, nichtreziproke
Dämpfungseinrichtung

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

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

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

6200 Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Fang-Shang Chen, Summit, N. J, (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 5. Juli 1961 (121997) --

In begrenztem Umfang erfolgreiche Versuche zur Verbesserung dieser Frequenzabhängigkeit sind schon gemacht worden. Hierbei wurde ein nichtmagnetisches Element mit vergleichsweise hoher Dielektrizitätskonstante angrenzend an das gyromagnetische Element angeordnet, so daß sich der Betrag der gewünschten zirkulären Polarisation innerhalb des gyromagnetische Elements erhöht, und zwar begleitet von einem entsprechenden Anstieg der nichtreziproken Wirkung und einer Abnahme der Frequenzabhängigkeit (vgl. E. W. S k 0 m a I, »A High Average Power Broad-Band Ferrite Load Isolator for S-Band«, IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Januar 1959, S. 174).

Obwohl dieses Dielektrikum die Lageänderung der zirkulären Polarisation auf ein Minimum herabsetzt, ist die Bandbreite der Richtungsleitung noch durch die Linienbreite des gyromagnetisehen Materials begrenzt. Man hat deshalb auch schon versucht, die wirksame Linienbreite durch Anlegen eines inhomogenen vormagnetisierenden Magnetfeldes an das Material zu verbreitern; jedoch erhöht sich dabei die Vorwärtsdämpfung, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden. So ist es bekannt, daß gyromagnetische Element einem inhomogenen Magnetfeld mit dem Ziel auszusetzen, die Linienbreite des Elements zu vergrößern und die Brandbreite in Sperrichtung zu erhöhen, und zwar dadurch, daß das Feld in Richtung auf die schmale Wandseite des Hohlleiters hin zunimmt. Es verbleiben hierbei aber Bereiche im gyromagnetischen Element, die auf Resonanz bei einer Frequenz vorgespannt sind, bei welcher in diesen Bereichen keine rein zirkulär polarisierte Energie vorhanden ist. Deshalb

709 717/225

3 4

wird sich hierbei die Vorwärtsdämpfung der Richtungs- Hohlleiters, /<■ die Grenzfrequenz der vorherrschenden

leitung erhöhen. TE₁₀-WeIIe und / die Frequenz der zugeführten WeI-

Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Vermei- lenenergie ist. Im üblichen Frequenzbereich der

dung der vorstehenden Nachteile die Bandbreite nicht- TE₁₀-WeIIe ist

reziproker Dämpfungseinrichtungen der eingangs be- 5 ny

schriebenen Art mit einfachen Mitteln zu erhöhen. ^ < J- · ( ;

Die Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Einrich- Die Gleichung (1) kann daher angenähert werden rung einen magnetischen Teil einer ersten Polarität mit durch

Polstücken, die sich auf beiden Seiten des Hohlleiters io / ^ 1 / πγ \² .

nahe den schmalen Wänden erstrecken, und einen wei- ~7 «a 1 + — I I . (.3) teren magnetischen Teil entgegengesetzter Polarität

aufweist, der sich nahe der breiten Wand und den Pol- Die Wiedergabe der Gleichung (3) in F i g. 1 zeigt

stücken gegenüberliegend erstreckt. deutlich, daß für die niedrigen Frequenzen nahe der

Es wird also durch eine sehr einfache geometrische 15 Grenzfrequenz die Lage der zirkulären Polarisation

Ausbildung der Polstücke der gewünschte Verlauf des sehr nahe der Mitte des Hohlleiters liegt, was durch den

optimalen zirkulären Polarisation in einem Rechteck- Frequenz verschiebt sich diese Lage zunehmend dichter hohlleiter bewegt sich auf die Seitenwand des Leiters 20 ,. . , 1 y λ _ίλ , „ . ~ > >,

zu, wenn die Frequenz erhöht wird. Das gyromagneti- &&^{n dle Seltenwand} (^ = ¹)- ^{Deshalb lst} «rTenslcht, sehe Element schmaler Resonanzlinienbreite wird des- Hch, warum eine wesentliche Schwierigkeit darin ber halb durch ein inhomogenes Feld vormagnetisiert, das steht, gyromagnetische Einrichtungen breitbandiger z?u auf die Seitenwand zu so ansteigt, daß es mit der Ver- machen, deren Eigenschaften von der speziellen Lage Schiebung des Bereichs der zirkulären Polarisation in 25 dieses Bereichs abhängen.

Abhängigkeit von der Frequenz zusammenfällt. Jeder Mit einem Richtungsleiter nach F i g. 2 wird diese

Teil des Elements ist somit nur bei derjenigen Frequenz Schwierigkeit überwunden. Die Anordnung enthält in Resonanz, bei der in diesem Teil das Hochfrequenz- einen Teil 10 eines leitend begrenzten rechteckigen feld zirkulär polarisiert ist. Da das Material eine Hohlleiters, der in den Fortpflanzungsweg einer lineaschmale Resonanzlinienbreite hat, tragen andere Teile 30 polarisierten Welle, die eine Entkoppelung erfordert, des Elements nichts Nennenswertes zur Vorwärts- z. B. zwischen einer Quelle und einer Last,: eingesetzt dämpfung bei. werden soll. Die lichte Breite la des Hohlleiters 10 ist

Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß die wenigstens gleich der halben Wellenlänge der zu über-Polstücke aus einem Block aus magnetischem Material tragenden Energie, und die lichte Höhe ist wesentlich mit einem Kanal gebildet sind, der längs der Stirnseite 35 kleiner als α gemäß üblicher Konstruktionsüberlegundes Blockes eingeschnitten ist, wobei der Hohlleiter gen.

in dem Kanal aufgenommen ist, und daß der andere An einer Seite der Mittellinie des Hohlleiters 10 ist

Teil ein zweites Polstück aufweist, das eine Seite des ein längliches gyromagnetisches Element 12 angeord-Kanals im wesentlichen abschließt. Durch entspre- net, das an der Bodenwandseite 11 des Hohlleiters 10 chende Wahl der Höhe und Breite des Kanals wird die 40 verläuft. Das Element hat einen schmalen Rechteck-Intensitätsverteilung des magnetischen Feldes längs querschnitt und erstreckt sich in seiner Breite über des Hohlleiters und deshalb die Resonanzfrequenzver- einen größeren Teil der breiten Hohlleiterwandseite 11. teilung im gyromagnetischen Material auf die fre- Das Element 12 ist mehrere Wellenlängen lang. Der quenzabhängige Lage des Bereichs der zirkulären PoIa- übrige Teil des Leiters 10 ist mit einem Dielektrikum, risation im Hohlleiter sehr gut angepaßt. 45 z. B. Luft, mit wesentlich niedrigerer Dielektrizitäts-

Beispielhafte Ausführungsformen sind in der Zeich- konstante als die des Elements 12 ausgefüllt, nung dargestellt, und zwar zeigt Das Material des Elements 12 hat elektrische und

F i g. 1 die Frequenzänderung einer reinen zirkula- magnetische Eigenschaften, wie diese von D. P 0 1 d e r ren Polarisation längs einer Hälfte der breiten Abmes- in »Philosophical Magazine«, Januar 1949, Bd. 40, sung des rechteckigen Hohlleiters, 50 S. 99 bis 115, beschrieben sind. Im einzelnen kann das

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht einer bevorzug- Element 12 aus jedem nichtleitenden ferromagnetischen ten Ausführungsform, Material hergestellt sein. Zum Beispiel kann das Ma-

F i g. 3 die Intensitätsverteilung des Magnetfeldes terial Eisenoxid zusammen mit dem Oxid eines oder längs einer Hälfte der Breitseitenwand des rechteckigen mehrer zweiwertiger Metalle, z. B. Nickel, Magnesium, Hohlleiters und 55 Zink, Mangan, oder mit Aluminiumoxid in Spinell-

F i g. 4 einen Querschnitt durch die Anordnung nach struktur sein. Dieses Material ist als ferromagnetischer F i g. 2. Spinellf errit bekannt, Da eine schmale Resonanzlinien-

Es ist bekannt, daß die Lage des Bereichs, in dem das breite bevorzugt ist, die noch nachfolgend beschrieben Hochfrequenzfeld der vorherrschenden Schwingungs- werden wird, kann das Element 12. auch ein ferromaf orm in einem rechteckigen Hohlleiter rein zirkulär po- 60 gnetischer Granat sein. Diese Materialien werden zularisiert ist (im folgenden kurz Lage der zirkulären weilen zuerst in Pulverform gebracht und dann mit Polarisation genannt), ausgedrückt werden kann durch einem geringen Zusatz eines plastischen Binders ge-

, formt. Nachfolgend wird lediglich zu Beschreibungstang ^ny — 1 /(—Y — 1 (T) zwecken der Einfachheit halber ausschließlich der Aus-

2a. |/\/c/ ' ⁶5 druck »Ferrit« für das Material des Elements verwendet.

Das Element 12 wird durch ein äußeres Magnet-

worin y der Abstand von der Mitte des Hohlleiters zu gleichfeld vormagnetisiert oder polarisiert, das senkder Lage der zirkulären Polarisation, 2a die Breite des recht zur Ausbreitungsrichtung der Wellenenergie

5 6

längs des Hohlleiters 10 orientiert ist und quer zum werden, daß das äußere Feld H_e längs der unteren Hohlleiter in einer solchen Weise variiert ist, daß jeder Fläche des Elements 12 bei ausreichend großer Kanal-Teil des Elements 12 bei derjenigen Frequenz in Re- tiefe Λ ist:
sonanz ist, welche in diesem Teil zirkulär polarisiert
ist. Aus F i g. 1 ist zu ersehen, daß bei einem beliebigen 5 Ji^e — see [ "M sj 1 1 | ¹M , (4)

Bruchteil η = — die Wellenlänge nur für die Frequenz

H_eo \2bJ 2\2b)

vollständig zirkulär polarisiert ist, die das spezielle Ver- worin H_eo das Feld in der Mitte der Fläche bei j.= O hältnis m zur Grenzfrequenz einhält. Die Stärke des vor- und ζ = 0 ist, und zwar mit der aus F i g. 4 ersichjlimagnetisierenden Gleichfelds für das Element 12 ist des- io chen Bedeutung fürj und z. Das innere Feldiii inhalb so groß, daß unabhängige Körner des Elements 12, nerhalb des Elements 12 bestimmt dessen Resonanzdie längs des dünnen, sich in Längsrichtung erstrek- frequenz und ist gegeben durch

kenden Streifens an der Stelle η liegen, in gyroma- „ __ jr A₇₁M (5)

gnetischem Sinn bei der Frequenz m in Resonanz sind ie > w

und daß solche Körner in Teilen rechts und links von 15 worin 4 πΜ die Sättigungsmagnetisierung des Mate-

der Stelle η bei Frequenzen oberhalb und unterhalb m rials des Elements 12 ist. Hieraus ergibt sich:

in Resonanz sind. Das vormagnetisierende Feld muß

deshalb die passende Stärke in der Mitte des Leiters J*L· ^ 1 ₊ IpL] _-ZZ™L. (6)

haben, um Resonanz etwa bei der Grenzfrequenzf_c H_eo 2\2b ) H_eo

und einen Anstieg nach der Schmalseitenwand des Hohl- 20

leiters entsprechend der Gleichung (3) zu erzeugen. Es wurde gefunden, daß, wenn die beiden folgenden

Eine solche Charakteristik ist in F i g. 3 dargestellt. Bedingungen erfüllt sind, nämlich

Bei passender Bemessung, wie sie nachfolgend angege- 1. wenn die magnetische Feldstärke H_eo, die not-

ben ist, herrscht an jeder Stelle η längs des Leiters das wendig ist, um das innere Feld Hf₀ za erzeugen,

passende Feld/?, um bei der Frequenz m Resonanz zu 25 welches wiederum Resonanz bei /_c erzeugt, gege-

erzeugen. ben ist durch

Diese Feldverteilung wird durch eine spezielle Ma- „ ff 4- A M (Ti

gnetpolgeometrie erzeugt. Gemäß den F i g. 2 und 4 «o — Λ

enthält die Magnetanordnung einen Polschuh 16, in und

den ein durchgehender rechteckiger Kanal 17 einge- 30 2. wenn das Verhältnis der Breite 2a des Hohlleiters

schnitten ist. Der Kanal 17 hat eine lichte Breite 2b 10 zu der Breite 2b des Kanals 17 derart ist, daß

und eine Tiefe h, er erstreckt sich wenigstens über die _% λ λα τι

Länge des Elements 12 hinweg. Die Gesamtbreite des — = 1 _J?_r^ — ^fc (8)

Polschuhes 16 ist größer als die des Hohlleiters 10, b² H_eo H_fo + Απ Μ

so daß die verbleibenden Stücke 18 und 19 des Pol- 35

schuhes den Hohlleiter beidseitig einschließen. Die erfüllt ist,

Polstücke 18,19 sind bis zur Ebene der Hohlleiter- die Gleichung (6) reduziert werden kann auf

wand 11 vorgezogen. Dem Polschuh 16 liegt als Ge-

genpol ein breitflächiges Teil 15 mit ebener Polfläche J*L_ ^ 1 _l_ A | i!L j _ (9)

gegenüber, die von den Stirnseiten der Polstücke 18 40 Hf₀ 2\2a ,

und 19 durch einen sehr schmalen Luftspalt der Breite g

getrennt ist. Die Teile 15 und 16, 17, 18 sind entspre- Wenn diese beiden Bedingunge erfüllt oder wenig-

chend den angeschriebenen Bezeichnungen N und S stens ausreichend gut angenähert sind, kann durch

magnetisiert. Die Magnetisierung kann dabei durch Vergleich mit der obigen Gleichung (3) gezeigt werden,

einen Elektromagneten oder durch einen Permanent- 45 daß sich die Größe des vormagnetisierenden Feldes

magneten erzeugt werden. längs der j-Richtung in derselben Weise ändert, wie

Da das Element 12 dünn und dicht oberhalb des dies die Lage der zirkulären Polarisation tut. An der ebenen Gegenpols 15 angeordnet ist, verläuft das Feld Stelle η in den F i g. 1 und 3 ist eine Stärke/? des vorinnerhalb des Elements 12 praktisch senkrecht zur ma- magnetisierenden Feldes vorhanden, womit Resonanz gnetischen Ebene des Hohlleiters 10. Die Tiefe Ii des 50 bei der Frequenz m erzeugt wird, wobei die Frequenz Kanals 17 ist ausreichend groß, so daß die Kanalsohle eine reine zirkuläre Polarisation an der Stelle η hat. des Polschuhes 16 nur geringe Wirkung auf die Feld- Es wurde bereits erwähnt, daß das Material des Eleverteilung innerhalb des Kanals hat. Die Magnetan- ments 12 vorzugsweise eine geringe Resonanzlinienordnung besteht somit wirkungsmäßig aus den beiden breite haben soll. Die Bedeutung dieser Forderung Polstücken 18 und 19 der einen Polarität, die in gerin- 55 wird verständlich, wenn in Erinnerung gebracht wird, gem Abstand von den Schmalseitenwänden des Hohl- daß positive und negative zirkuläre Polarisationen an leiters 10 verlaufen, und aus dem ebenen Gegenpol 15 Stellen gemischt werden, die etwas von der Lage der der anderen Polarität, der benachbart zur unteren Breit- reinen zirkulären Polarisation entfernt sind. Wenn soseitenwand des Hohlleiters 10 gelegen ist. Die Intensi- mit die Linienbreite des Materials nicht unendlich tätsverteilung des durch eine solche Anordnung er- 60 schmal ist, wird das Material einen Teil der ankomzeugten Magnetfeldes ist über dem Querschnitt des menden Welle entsprechend der Linienbreite absorbie-Elements 12 nicht gleichförmig; die Querschnittsteile ren. Dies erhöht aber das klein zu haltende Verhältnis des Elements 12 nahe der Hohlleitermitte werden einer von Dämpfung in Vorwärtsrichtung zu Dämpfung in viel geringeren Feldintensität auf Grund des längeren Sperrichtung des Richtungsleiters. Berechnungen im Weges 21 zwischen den N- und S-Polen im Vergleich 65 Röntgenstrahlenband haben jedoch gezeigt, daß für zu dem kürzeren Weg 20 für die Querschnittsteile des Materialien der Linienbreite von weniger als 730 Oer-Elements 12 nahe den Schmalseitenwänden des Hohl- sted das Verhältnis der Vorwärtsdämpfung zur Dämpleiters 10 ausgesetzt sein. Im einzelnen kann gezeigt fung in Sperrichtung kleiner als 0,01 ist. Bessere Ver-

Mltnisse werden für Materialien schmalerer Linienbreite erhalten, und Materialien mit Linienbreiten kleiner als 730 Oersted sind reichlich vorhanden.

Während die dargestellte Magnetpolanordnung spezielle Vorteile wegen ihren einfachen Aufbaus und wegen ihrer leichten Berechenbarkeit hat, sollte es sich verstehen, daß die gewünschte Intensitätsverteilung des Yormagnetisierenden Feldes im Element 12 auch mit einer modifizierten Magnetpolgeometrie erzielt werden kann. Zum Beispiel erlauben die genaue Form des Kanals 17 und der äußere Umrjß der PolstÜQke 15 und 16 wesentliche Abweichungen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Breitbandige nichtreziproke Dämpfungseinrichtung für elektromagnetische Wellenenergie mit einem Abschnitt eines rechteckigen Hohlleiters mit ungleich breiten Wandpaaren, mit einem länglichen, sich längs des Hohlleiters erstreckenden Element aus gyromagnetischem Material schmaler Resonanzlinienbreite, das in dem Hohlleiter angeordnet ist und sich nur ,auf einer Seite der Längsmittellinie des Hohlleiters erstreckt, wobei die Ausdehnung längs der breiten Wandseite sehr viel größer als die Ausdehnung längs der schmalen Wandseite ist und eine ein magnetisches Feld erzeugende Einrichtung zum Vorspannen des Elementes vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Einrichtung (15,16) einen magnetischen 'Tea (16) einer ersten Polarität mit Polstücken (18, 19), die sich auf beiden Seiten des Hohlleiters nahe den schmalen Wänden erstrecken, und einen weiteren magnetischen Teil (15) entgegengesetzter Polarität aufweist, der sich nahe der breiten Wand und den Polstücken gegenüberliegend erstreckt.

2. Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (18,19) aus einem Block aus magnetischem Material (16) mit einem Kanal (17) gebildet sind, der längs der Stirnseite des Blockes eingeschnitten ist, wobei der Hohlleiter in dem Kanal aufgenommen ist, und daß der andere Teil (15) ein zweites Polstück aufweist, das eineSeite des Kanals im wesentlichen abschließt.

3. Dämpfungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Abstand zwischen den gegenüberliegenden schmalen Wänden ,des Hohlleiters la und der Abstand zwischen den Polstücken nahe den schmalen Wänden 2b beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Abständen entsprechend der Formel

2a² _ ΑπΜ
2& ~ ~ I

bemessen ist, worin H₀₀ die Stärke des zugeführten magnetischen Feldes in der Mitte des Hohlleiters (10) ist, das erforderlich ist, um eine gyromagnetische Resonanz in dem Element (12) bei der Grenzfrequenz des Hohlleiters zu erzeugen, und worin 4πΜ die Sättigungsmagnetisierung des Elements ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 837 708;
»SEL-Nachrichten«, 1959, Heft 3, S. 147.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 717/225 12.67 © Bundesdruckerei Berlin