DE1259421B

DE1259421B - Circulator

Info

Publication number: DE1259421B
Application number: DE1964M0063184
Authority: DE
Inventors: Roy W Roberts Jun
Original assignee: MELABS FA
Current assignee: MELABS FA
Priority date: 1963-11-29
Filing date: 1964-11-19
Publication date: 1968-01-25
Also published as: GB1074050A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL: Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
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Auslegetag:Number:
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HOIpHOIp

H 03 h H 03 h

Deutsche Kl.; 21 a4 - 74German class; 21 a4 - 74

M63184IXd/21a4
19. November 1964
25. Januar 1968M63184IXd / 21a4
November 19, 1964
January 25, 1968

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Zirkulatoren, insbesondere für die Frequenzbereiche der Ultrahochfrequenzen und/oder niedrigerer Frequenzen. The invention relates generally to circulators, particularly for the frequency ranges of the Ultra high frequencies and / or lower frequencies.

Ein Zirkulator im Sinne der Erfindung ist eine Anordnung mit iVZu- bzw. Abgängen, wobei N größer als 2 ist. Er hat die Eigentümlichkeit, daß, wenn die Zu- bzw. Abgänge oder Anschlüsse in geeigneter Weise von 1 bis N nummeriert sind, ein an den Anschluß 1 angelegtes elektrisches Eingangssignal am Anschluß 2 mit einer nur minimalen Abschwächung wieder herauskommt, während die aus den übrigen Anschlüssen jeweils herauskommende Leistung vernachlässigbar klein ist. In gleicher Weise kommt ein an den Anschluß 2 angelegtes Signal aus dem Anschluß 3 wieder heraus usw.A circulator in the sense of the invention is an arrangement with iV inlets and outlets, where N is greater than 2. It has the peculiarity that if the inlets or outlets or connections are numbered in a suitable manner from 1 to N , an electrical input signal applied to connection 1 comes out again at connection 2 with only minimal attenuation, while that from the others Connections each outgoing power is negligibly small. In the same way, a signal applied to connection 2 comes out of connection 3, and so on.

Zirkulatoren sind vor einigen Jahren für den Mikrowellen-Frequenzbereich entwickelt worden, und zwar in Form von Differential-Phasenschieberzirkulatoren und Faraday-Rotationszirkulatoren. Beide Arten machen Gebrauch von einem Ferritelement als nicht-reziprokes Störglied. Infolgedessen ist die brauchbare Bandbreite beschränkt und die Abmessungen des Zirkulators relativ groß.Circulators were developed a few years ago for the microwave frequency range, in the form of differential phase shift circulators and Faraday rotary circulators. Both types make use of a ferrite element as a non-reciprocal perturbation member. Consequently the usable bandwidth is limited and the dimensions of the circulator are relatively large.

In neuerer Zeit wurden beträchtliche Fortschritte hinsichtlich der sogenannten Verzweigungszirkulatoren gemacht. Bei dieser Klasse von Zirkulatoren wird an dem Knotenpunkt von drei oder mehr Übertragungsleitungen von Ferritelementen Gebrauch gemacht. Diese Vorkehrung hat die Größe von Zirkulatoren beträchtlich vermindert, teilweise deswegen, weil die Ferrit-Wechselwirkung gegenüber einer Störgliedwirkung vorherrschend ist. Wenngleich für diese Art von Vorkehrung keine passende Theorie zur Verfügung steht, so wurden doch beträchtliche Erfolge hinsichtlich ihrer Ausbildung erreicht, in erster Linie durch die »Maßstabmethode«. Bei dieser Methode wird die Größe oder Abmessung des Ferritelements durch eine Konstante in Beziehung gesetzt zu der Wellenlänge der gewünschten Frequenz.In recent times there have been considerable advances in so-called branch circulators made. In this class of circulators, there are three or more transmission lines at the junction made use of ferrite elements. This provision is the size of circulators considerably diminished, in part because the ferrite interaction versus a Disturbing link effect is predominant. Though not a suitable theory for this type of precaution is available, considerable successes have been achieved in terms of their training, in primarily through the "scale method". This method uses the size or dimension of the Ferrite element related by a constant to the wavelength of the desired Frequency.

Bei dieser Klasse von Vorrichtungen werden die Ferritabmessungen so gewählt, daß nicht nur die erwünschte Nicht-Reziprozität erzielt, sondern auch die gewünschte Anpassungskapazität und -Induktanz gebildet und die gewünschte Bandbreite hervorgebracht wird. Die Maßstabmethode war zufriedenstellend für den Mikrowellen-Frequenzbereich; wird sie für den Bereich der Ultrahochfrequenzen (UHF) und niedrigerer Frequenzen benutzt, so ergibt sich im allgemeinen eine große, schwere und teure Einheit. In this class of devices, the ferrite dimensions are chosen so that not just the achieved the desired non-reciprocity, but also the desired adaptive capacity and inductance and the desired bandwidth is produced. The scale method was satisfactory for the microwave frequency range; it is used for the ultra-high frequency (UHF) range and lower frequencies are used, the result is generally a large, heavy, and expensive unit.

ZirkulatorCirculator

Anmelder:Applicant:

Fa. MELABS, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)MELABS, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. F. Werdermann, Patentanwalt,Dipl.-Ing. F. Werdermann, patent attorney,

2000 Hamburg, Innocentiastr. 302000 Hamburg, Innocentiastr. 30th

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Roy W. Roberts jun., Sunnyvale, Calif. (V. St. A.)Roy W. Roberts Jr., Sunnyvale, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 29. November 1963
(326 850)Claimed priority:
V. St. ν. America November 29, 1963
(326 850)

Es ist bereits eine nicht-reziproke elektrische Kopplungsvorrichtung mit zwei senkrecht zueinander gekreuzten Wicklungen bekannt, welche mit dem Ferritmaterial gekoppelt sind und bei der ein Blindwiderstand mit Wicklungen verbunden ist. Diese wird bei ferromagnetischer Resonanz betrieben. Es handelt sich um eine Cyclotron-Resonanz der Elektronenwirbel in dem Ferrit, und es gibt daher· keine Kreisresonanzbedingungen (mit Resonanz von L und C). Die Vorrichtung erfordert, daß Energie in dem Ferrit verbraucht wird. Sie hat nur einen Zu- und einen Abgang, ist also kein Zirkulator, und wirkt gewissermaßen als schaltbares Isolator- oder Sperrglied.A non-reciprocal electrical coupling device is already known with two windings crossed perpendicularly to one another, which are coupled to the ferrite material and in which a reactance is connected to windings. This is operated with ferromagnetic resonance. It is a cyclotron resonance of the electron vortices in the ferrite and therefore there are no circular resonance conditions (with resonance of L and C). The device requires that energy be consumed in the ferrite. It has only one inlet and one outlet, so it is not a circulator and acts as a switchable isolator or blocking element.

Ferner ist bereits ein abstimmbarer Zirkulator bekannt, der Ferritscheiben aufweist, welche Hohlraumresonatoren mit einer der Wellenlänge proportionalen Größe bilden. Hier erfolgt eine Speicherung von magnetischer und elektrischer Energie innerhalb des Ferritmaterials. Die elektrische Energie wird zwischen dem Hauptleiter und dem Erdleiter der Anordnung gespeichert. Die Resonanzfrequenz des Hohlraums wird durch die Abmessungen der Ferritscheiben bestimmt; von ihr ist die Arbeitsfrequenz des Zirkulators abhängig. Derartige Zirkulatoren erfordern verhältnismäßig große Abmessungen, besonders mit Rücksicht auf den Bereich vergleichsweise niedriger Frequenzen.Furthermore, a tunable circulator is already known, the ferrite disks, which cavity resonators with a wavelength proportional Make greatness. Magnetic and electrical energy is stored here within the ferrite material. The electrical energy is between the main conductor and the earth conductor the arrangement saved. The resonance frequency of the cavity is determined by the dimensions of the Ferrite disks determined; the working frequency of the circulator depends on it. Such circulators require relatively large dimensions, especially considering the area comparatively lower frequencies.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zirkulator für mindestens drei miteinander einen KnotenpunktThe invention relates to a circulator for at least three mutually one node

709 720/185709 720/185

bildenden Übertragungsleitungen, bei dem an dem Knotenpunkt Ferritmaterial angeordnet ist, an welches ein Magnetfeld angelegt wird.forming transmission lines, in which ferrite material is arranged at the junction point to which a magnetic field is applied.

Aufgabe der Erfindung ist es hauptsächlich, einen Zirkulator zur Verwendung im Ultrahochfrequenzbereich des elektrischen Frequenzspektrums zu schaffen. Ein solcher Zirkulator soll einfach und gedrängt gebaut sein. Er soll ferner Gebrauch machen von einer Ferrit-Wechselwirkung bei einem Strom-The main object of the invention is to provide a circulator for use in the ultra-high frequency range of the electrical frequency spectrum. Such a circulator should be simple and compact be built. He should also make use of a ferrite interaction in a current

Die Mittelleiter 31, 32 und 33 jeder der Koaxialleitungen sind jeweils verbunden mit einem Kondensator 36,37 bzw. 38. Jeder dieser Kondensatoren ist mit seiner anderen Klemme an das eine Ende einer Wicklung 41, 42 bzw. 43 angeschlossen. Die Wicklungen sind zyklisch miteinander gekoppelt oder verbunden. Das jeweils andere Ende der Wicklungen kann an ein anderes so angeschlossen sein, daß ein »Y« (Stern) gebildet wird. Für den Fachmann istThe center conductors 31, 32 and 33 of each of the coaxial lines are each connected to a capacitor 36, 37 and 38, respectively. Each of these capacitors is with its other terminal connected to one end of a winding 41, 42 and 43, respectively. The windings are cyclically coupled or connected to one another. The other end of the windings can be connected to another in such a way that a "Y" (star) is formed. For the professional is

kreis mit mehreren Windungen. Bei einem solchen io ohne weiteres ersichtlich, daß die zyklisch verbunde-Zirkulator sollen ferner die Funktion der Nicht- nen Wicklungen auch in Deltaform (Dreieck) geReziprozität und die Stromkreisabstimmung getrennt schaltet sein können. Die Wicklungen 41, 42 und 43 sein. Der Zirkulator soll breitbandig und nicht auf- haben die Form je mehrerer auf eine Ferritplatte 46 wendig, d. h. möglichst wirtschaftlich sein. gewickelter Windungen; die Ferritplatte 46 bildetcircle with several turns. With such an io it is readily apparent that the cyclically connected circulator Furthermore, the function of the non-N windings should also be reciprocity in delta form (triangle) and the circuit tuning can be switched separately. The windings 41, 42 and 43 be. The circulator should be broadband and not have the form of several on a ferrite plate 46 agile, d. H. be as economical as possible. wound turns; the ferrite plate 46 forms

Bei einem Zirkulator der angeführten Ausbildung 15 das nicht-reziproke Element.In the case of a circulator of the embodiment mentioned 15, the non-reciprocal element.

sind erfindungsgemäß mit den Übertragungsleitungen Die Reihenkombination von Kondensatoren undare according to the invention with the transmission lines The series combination of capacitors and

zyklisch gekoppelte Wicklungen verbunden und an dem Knotenpunkt, mit dem Ferritmaterial gekoppelt, angeordnet, so daß das Ferritmaterial zur Speicherung magnetischer Energie dient, und weiterhin ein Kondensator mit jeder dieser Übertragungsleitungen und den Wicklungen elektrisch verbunden, der zur Speicherung elektrischer Energie dient.cyclically coupled windings connected and coupled at the node point with the ferrite material, arranged so that the ferrite material is used to store magnetic energy, and still a Capacitor electrically connected to each of these transmission lines and the windings leading to the Storage of electrical energy is used.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.Exemplary embodiments of the invention are shown in the figures.

F i g. 1 ist eine Grundrißdarstellung. Der Oberteil ist teilweise aufgebrochen dargestellt, um das Innere freizulegen;F i g. 1 is a plan view. The top is shown partially broken away to reveal the interior to expose;

F i g. 2 ist, gleichfalls teilweise aufgebrochen, eineF i g. 2, also partially broken open, is a

Seitenansicht des Zirkulators von Fig. 1, um den 30 sein, ein magnetisches Material für die Deckplatten inneren Aufbau zu zeigen; anzuwenden, um den magnetischen Feldern desSide view of the circulator of Figure 1, around 30, a magnetic material for the cover plates to show internal structure; apply to the magnetic fields of the

F i g. 3 ist eine Schnittansicht längs der Linien 3-3 von F i g. 2;F i g. 3 is a sectional view taken along lines 3-3 of FIG. 2;

F i g. 4 ist eine perspektivische Darstellung, welcheF i g. 4 is a perspective view showing

die Anordnung mit mehreren Windungen des 35 60 aus magnetischem Material vorgesehen werden, Stromkreises für die Ferrit-Wechselwirkung zeigt; um den Abstand zwischen den Grundplatten zuthe multi-turn arrangement of the 35 60 can be made of magnetic material, Circuit for ferrite interaction shows; to increase the distance between the base plates

F i g. 5 zeigt den äquivalenten elektrischen Stromkreis (Ersatzschema) für eine Verbindung oder Schaltung der Pauschal-Schaltungselemente;F i g. 5 shows the equivalent electrical circuit (equivalent scheme) for a connection or Switching of the flat-rate circuit elements;

F i g. 6 zeigt ein Ersatzschema für eine andere 40 gehörigen Koaxialleitungen aufweist und eine mit Schaltungsverbindung der Pauschal-Schaltungs- Schrauben 59 befestigte, abnehmbare Deckplatte 58F i g. 6 shows a replacement scheme for another 40 associated coaxial lines and one with Circuit connection of the flat-rate circuit screws 59 attached, removable cover plate 58

besitzt.owns.

In Fig. 5 ist schematisch ein elektrisches Ersatzschaltbild für den vorstehend beschriebenen Zirkulator dargestellt. Die elektrische Spannungsquelle 61 und die Widerstände 62 entsprechen dem Signal an jeder der Ubertragungsleitungen. Der Pfeil 63 zeigt die nicht-reziproke Charakteristik des Ferritmaterials, während die Kondensatoren und Induktivitäten denIn Fig. 5 is an electrical equivalent circuit diagram for the circulator described above. The electrical voltage source 61 and resistors 62 correspond to the signal on each of the transmission lines. The arrow 63 shows the non-reciprocal characteristic of the ferrite material, while the capacitors and inductors denote the

Pauschal-Schaltungs- 50 vorstehend beschriebenen entsprechen und mit denFlat-rate circuit 50 described above and correspond to the

gleichen Bezugszeichen versehen sind.the same reference numerals are provided.

Wicklungen 36, 41; 3.7, 42 und 38, 43 bildet ein Abstimmittel, so daß der Zirkulator an die dazugehörige Übertragungsleitung angepaßt werden kann.Windings 36, 41; 3.7, 42 and 38, 43 form a tuning means so that the circulator can be matched to the associated transmission line.

Die Grundplatten 12 und 13 können je eine Ausnehmung oder Vertiefung 47 bzw. 48 aufweisen, die zur Aufnahme von Dauermagneten 49 bzw. 51 dienen. Darüber sind Dreieckplatten 52 und 53 angeordnet; sie dienen zum Halten des dauermagnetisehen Materials 49 und 51 in der richtigen Lage in bezug auf die Ferritplatte, so daß ein Feld durch das Ferritmaterial hindurch in solcher Richtung erzeugt wird, daß die erwünschte Nicht-Reziprozität zustande kommt. In gewissen Fällen kann es erwünschtThe base plates 12 and 13 can each have a recess or depression 47 or 48, which serve to accommodate permanent magnets 49 and 51, respectively. Triangular plates 52 and 53 are arranged above it; they serve to hold the permanent magnet material 49 and 51 in the correct position with respect to the ferrite plate so that a field is generated through the ferrite material in such a direction that the desired non-reciprocity comes about. In certain cases it may be desirable

Dauermagneten einen Weg niedrigeren magnetischen Widerstands zu bieten. Zur weiteren Herabsetzung des magnetischen Widerstands können SeitenplattenPermanent magnets provide a way of lowering reluctance. To further reduce of magnetic resistance can use side plates

überbrücken.bridge.

Die Gesamtanordnung kann in ein Gehäuse 56 gesetzt werden, das Öffnungen zur Aufnahme der zu-The entire assembly can be placed in a housing 56 which has openings for receiving the

elemente;elements;

F i g. 7 zeigt ein Ersatzschema für eine doppelt abgestimmte Schaltungsverbindung von Pauschal-Schaltungselementen; F i g. 7 shows an equivalent scheme for a double-tuned circuit connection of flat-rate circuit elements;

F i g. 8 zeigt ein Ersatzschema für eine andere doppelt abgestimmte Schaltungsverbindung von Pauschal-Schaltungselementen, undF i g. 8 shows a substitute scheme for another double-tuned circuit connection of flat-rate circuit elements, and

F i g. 9 zeigt das Ersatzschema für eine Deltaoder Dreieckschaltung der
elemente.F i g. 9 shows the equivalent scheme for a delta or triangle connection in FIG
elements.

Allgemein ist ein Zirkulator vorgesehen, der er- Wie ersichtlich, ist die Funktion des AbstimmensGenerally, a circulator is provided which, as can be seen, is the function of tuning

findungsgemäß einen Knotenpunkt von mindestens getrennt von der nicht-reziproken Charakteristik desaccording to the invention a node of at least separated from the non-reciprocal characteristic of the

drei Übertragungsleitungen mit zyklisch abwechselnd Ferrits. Die Wicklungen sind zyklisch miteinanderthree transmission lines with cyclically alternating ferrits. The windings are cyclic with each other

gekoppelten Wicklungen enthält. Mit den zyklisch 55 und mit dem Ferrit gekpppelt.contains coupled windings. Coupled with the cyclic 55 and with the ferrite.

abwechselnd gekoppelten Wicklungen zusammen- Die Kondensatoren können auch parallel zu denAlternately coupled windings together- The capacitors can also be parallel to the

wirkend ist ein Ferritmaterial angeordnet. Zwischen Eingangsklemmen statt in Reihe mit diesen liegen,a ferrite material is arranged to act. Lie between input terminals instead of in series with them,

jeder der Übertragungsleitungen und den Wicklun- Dies ist in Fig. 6 schematisch veranschaulicht, woeach of the transmission lines and the windings is illustrated schematically in Fig. 6 where

gen ist eine pauschale Kapazität eingeschaltet. Die die gleichen Bezugszeichen auf dieselben Teile hin-gen, a flat-rate capacity is switched on. The same reference numbers refer to the same parts

Wicklungen, Kondensatoren und das Ferrit bewirken 60 weisen.Windings, capacitors and the ferrite make 60 ways.

eine Trennung der Funktionen von Nicht-Reziprozi- In Fig. 7 ist ein Eingangskreis gezeigt, der für tat und Stromkreisabstimmung. einen Arbeitsbereich in einem breiteren Frequenz-Gemäß F i g. 1 bis 3 enthält der Zirkulator in band sorgt. Diese Schaltung enthält außerdem zueinem Abstand voneinander Grundebenen bzw. sätzlich zu den vorher beschriebenen Bauelementen Grundplatten (oder geerdete Platten) 12 und 13. An 65 einen abgestimmten Kreis mit einem Kondensator 66 den in einem Abstand befindlichen Grundplatten und einer Induktivität 67 in jedem Verzweigungssind Halteplatten 14,16 und 17 für die Koaxial- arm des Zirkulators. Bei dem abgestimmten Kreis leitungen 18,19 und 21 durch Schrauben befestigt. ist jeweils die eine Klemme geerdet und die Induk-a separation of the functions of non-reciprocal In Fig. 7 an input circuit is shown, which for did and circuit voting. a working range in a wider frequency range F i g. 1 to 3 contains the circulator in band cares. This circuit also includes one Distance from each other basic levels or in addition to the components described above Base plates (or grounded plates) 12 and 13. At 65 a tuned circuit with a capacitor 66 the spaced base plates and an inductor 67 in each branch Retaining plates 14, 16 and 17 for the coaxial arm of the circulator. With the coordinated circle lines 18, 19 and 21 fastened by screws. one terminal is grounded and the inductive

tivität 67 mittels einer Anzapfung mit der vorher beschriebenen Kapazität und Induktivität verbunden. Die Anordnung nach F i g. 7 stellt das dar, was man in der Fachsprache als »Doppelabstimmung« kennt.tivity 67 is connected to the previously described capacitance and inductance by means of a tap. The arrangement according to FIG. 7 represents what is known in technical jargon as "double voting".

Eine Doppelabstimmung kann in Verbindung mit einem Parallelkreis durch Einführen eines abgestimmten Reihenkreises vorgesehen werden. Dies ist schematisch in F i g. 8 durch die Reihenschaltung aus Kapazität 68 und Drossel 69 gezeigt.A double vote can be used in conjunction with a parallel circuit by introducing a tuned Row circle are provided. This is shown schematically in FIG. 8 through the series connection shown from capacitance 68 and choke 69.

Fig. 9 zeigt die Delta- oder Dreieckverbindung für zyklisch gekoppelte Wicklungen 41 a, 42 α und 43 a. Die Kondensatoren 36,37 und 38 sind als in Reihe mit den zugehörigen Leitungen geschaltet dargestellt. Es ist zu bemerken, daß die Kondensatoren auch in Parallelschaltung angeordnet sein können. Ferner kann eine Doppelabstimmung, wie vorher beschrieben, vorgesehen werden.Fig. 9 shows the delta or triangle connection for cyclically coupled windings 41 a, 42 α and 43 a. The capacitors 36, 37 and 38 are shown connected in series with the associated lines. It should be noted that the capacitors can also be arranged in parallel. In addition, double voting as previously described can be provided.

Durch die Erfindung wird somit ein Zirkulator geschaffen, der einfach und billig, d. h. wirtschaftlich, ist. Die Funktion von Abstimmung und Reziprozität ao sind voneinander getrennt, so daß sie unabhängig kontrollierbar und beeinflußbar sind. Infolgedessen läßt sich ein solcher Zirkulator auf einfache Weise anpassen, da hierzu nur konzentrierte Schaltungselemente verstellt zu werden brauchen.The invention thus provides a circulator which is simple and inexpensive, i. E. H. economically, is. The functions of coordination and reciprocity ao are separated from each other so that they are independent are controllable and influenceable. As a result, such a circulator can be easily operated adapt, since only concentrated circuit elements need to be adjusted for this purpose.

Claims

Patent claims:

1. Circulator for at least three transmission lines forming a junction with one another, in which ferrite material is arranged to which a magnetic field is applied, characterized in that that connected to the transmission lines cyclically coupled windings and on the Node, coupled to the ferrite material, are arranged so that the ferrite material for It serves to store negative energy, and that a capacitor is electrically connected to each of these transmission lines and connected to the windings, which is used to store electrical energy.

2. Circulator according to claim 1, characterized in that a matched with the capacitor Circuit is electrically connected.

3. Circulator according to claim 1 or 2, characterized in that the windings in the form of a Y are connected (star connection).

4. Circulator according to claim 1 or 2, characterized in that the windings in the form of a delta are connected (delta connection).

5. Circulator according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the transmission lines are those in which one is spaced of a ground or earth conductor or a conductor located on a ground or earth plane and connected to the windings.

6. Circulator according to claim 5, characterized in that the transmission lines Coaxial lines are.

Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1041549;
U.S. Patent No. 3,085,212.

1 sheet of drawings