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Schalter für sehr kurze elektromagnetische Wellen Die Erfindung bezieht
sich auf einen Hohlleiterschalter für sehr kurze elektromagnetische Wellen unter
Verwendung gyromagnetischen Materials, dessen Magnetisierung zum Zwecke des Durchschaltens
veränderbar ist und der aus einem Hohlleiter rechteckförmigen Querschnitts besteht,
dessen Breite a sich von den beiden Hohlleiterenden in je einem Endabschnitt bis
auf einen Wert d verringert, für den die Ausbreitungsbedingungen von senkrecht zur
Hohlleiterbreitseite linear polarisierten Wellen (TEIö Schwingungsart) mit Sicherheit
nicht mehr erfüllt sind, unter Belassung eines Zwischenteils mit der verminderten
Breite a'.
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Durch die deutsche Auslegeschrift 1078 647 ist bereits ein Hohlleiterschalter
bekanntgeworden, bei dem die Breitseiten eines Teils des Hohlleiters so klein bemessen
sind, daß die Betriebsfrequenz gesperrt wird. In diesen verkleinerten Teil des Hohlleiters
ist eine Ferritplatte eingeführt. Durch die Wirkung der Feldverschiebung, die durch
Anlegen eines zur Ferritplatte senkrechten Magnetfeldes auftritt, wird die Breitseite
des verkleinerten Teils des Hohlleiters effektiv vergrößert und damit die Betriebsfrequenz
durchgelassen, während die in den Hohlleiter einfallenden elektromagnetischen Wellen
dann gesperrt werden, wenn die Ferritplatte keinem magnetischen Gleichfeld unterworfen
ist. Bei einem solchen Schalter ist jedoch ein verhältnismäßig großes magnetisches
Gleichfeld erforderlich, das die Feldverschiebung an der Ferritplatte innerhalb
des Hohlleiters hervorruft. Da weiterhin das magnetische Gleichfeld senkrecht zur
axialen Richtung der Ferritplatte verlaufen muß, wird der konstruktive Aufwand zur
Erzeugung des magnetischen Gleichfeldes verhältnismäßig groß, wodurch sich wiederum
der Raumbedarf für die gesamte Einrichtung erheblich vergrößert. Demgegenüber kann
beim Hohlleiterschalter nach der Erfindung das Magnetfeld gegenüber der bekannten
Anordnung mit Feldverschiebung an sich schon kleiner sein, da ein konstruktiver
Aufbau verwendet ist, bei dem das Magnetfeld in der zum Ferritstab axialen Richtung
angelegt und die Polarisationsebene der elektromagnetischen Wellen gedreht wird.
Es genügt deshalb, wenn zur Erzeugung des magnetischen Gleichfeldes beispielsweise
ein Leiter auf den Hohlleiter gewickelt wird, wodurch sich ein einfacher konstruktiver
Aufbau mit verhältnismäßig geringem Raumbedarf erreichen läßt.
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Weiterhin ist ein Ferrit-Schalter mit einem tetraedrischen Hohlleiter
bekannt, dessen Betriebsprinzip in der F i g. 1 gezeigt ist. In der Achse des übergangshohlleiters
1, dessen Schnitt rechtwinklig fallend gelegt ist, wird ein stabförmiger gyromagnetischer
Stoff, z. B. ein Ferrit 2, vorgesehen. Durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes
HDC an das Ferrit dreht auf Grund der Faradayschen Drehung die elektromagnetische
Welle Ei" am Eintritt I ihre Polarisationsebene um 90° und tritt als Eoui
am Austritt 1I auf. In dieser Stellung befindet sich der Schalter im Zustand »Durchlassen«.
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Bei Fehlen des äußeren Magnetfeldes wird dagegen die Polarisationsebene
der elektromagnetischen Wellen nicht gedreht. Sie werden somit mitten im Hohlleiter
1 und nach dem Eingang 1 reflektiert. Da der tetraedrische Hohlleiter keine elektromagnetische
Wellen von dem Eintritt 1 nach dem Austritt 1I übertragen kann, liegt er an sich
stets im Zustand »Sperren«. Dies gilt jedoch nur theoretisch, weil bei der Fertigung
Toleranzen auftreten. Aus diesem Grund beträgt beim bisherigen tetraedrischen Hohlleiter
die Sperrdämpfung für die elektromagnetischen Wellen von 1 nach 11 im Zustand »Sperren«
nur etwa -30 und einige db, und ihre wesentliche Verringerung ist im allgemeinen
sehr schwierig. Der Grund hierfür besteht in der mechanischen Verzerrung des tetraedrischen
Hohlleiters, z. B. im Fehlen der rechtwinklig fallenden
Eigenschaft
am Eintritt I und am Austritt II, in der Unsymmetrie des Hohlleiters usw., in der
Verzerrung der Form des Ferritmaterials und in der Remanenz des Ferrites. Die verhältnismäßig
geringe Sperrdämpfung bzw. große Streuung im Zustand »Sperren« ist der wesentliche
Nachteil für den tetraedrischen Hohlleiter.
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Nach der Erfindung kann ein Hohlleiterschalter der vorerwähnten Art,
dessen Magnetisierung zum Zwecke des Durchschaltens veränderbar ist und der aus
einem Hohlleiter rechteckförmigen Querschnitts besteht, dessen Breite a sich von
den beiden Hohlleiterenden in je einem Endabschnitt bis auf einen Wert ä verringert,
für den die Ausbreitungsbedingungen von senkrecht zur Hohlleiterbreitseite linear
polarisierten Wellen (TEiö Schwingungsart) mit Sicherheit nicht mehr erfüllt sind,
unter Belassung eines Zwischenteils mit der verminderten Breite d dadurch wesentlich
verbessert werden, daß der Zwischenteil als Steghohlleiter für die Übertragung von
in Richtung der Hohlleiterbreitseite linear polarisierten Wellen (TEiö Schwingungsart)
ausgebildet ist, dessen Stegbelastung sich in Form von Übergängen in die Endabschnitte
erstreckt, und daß in jedem der beiden Endabschnitte das gyromagnetische Material
angeordnet ist.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g. 1, wie bereits erwähnt, eine Ausführungsform
eines bekannten Ferrit-Schalters, mit einem tetraedrischen Hohlleiter, F i g. 2
einen aus Hohlleitern bestehenden Schalter nach der Erfindung und F i g. 3 eine
Schnittansicht des Teils II des Schalters nach der F i g. 2.
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Der aus Hohlleitern bestehende Schalter wird, wie in der F i g. 2
gezeigt ist, aus drei Teilen I, 1I und III gebildet.
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Die Hohlleiterbreite a wird zunächst von einem Ende des Hohlleiters
stetig entlang dessen axialer Richtung verringert und in das Maß ä geändert, das
für die in der Richtung der X-Achse polarisierten elektromagnetischen Wellen der
Betriebsfrequenz den gesperrten Zustand darstellt. Dann werden auf den Wänden 3,
3' die Ansätze 4, 4' mit der Breite bi vorgesehen, deren Höhe mit
der Abnahme der Breite a zunimmt und zum in der F i g. 3 gezeigten Maß führt. Dieses
Maß ist so gewählt, daß dieser Hohlleiterteil als Ridge-Hohlleiter die in der y-Richtung
der Betriebsfrequenz polarisierten elektromagnetischen Wellen übertragen kann. Ferner
werden die Teile I und III, die jeweils einen stabförmigen gyromagnetischen Stoff,
z. B. Ferrite 5, 5', auf der Achse dieses Übergangssteiles enthalten, und der Teil
II mit entsprechender elektrischer Länge vorgesehen. Der Teil II ist, wie in der
F i g. 3 gezeigt, auf den beiden Seiten mit je einem Ansatz 6 versehen, der eine
Breite g-1 und eine Höhe a-a,12 im Schnitt b - a' aufweist und für die in
der y-Richtung der Betriebsfrequenz polarisierten elektromagnetischen Wellen als
SteghohIleiter 7 (Ridge-Waveguide) wirkt. Für die in die Richtung der X-Achse polarisierten
Wellen befindet sich dieser Steghohlleiter im gesperrten Zustand.
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Da die Teile I und III nur über Teil II in Verbindung stehen, werden
in der Richtung der X-Achse linear polarisierte Wellen gesperrt. Andererseits ist
der Teil II für die in der Richtung der y-Achse linear polarisierten Wellen entsprechend
der Erhöhung der Ansätze 4, 4' als Steghohlleiter von dem gesperrten Zustand
in den übertragenden bzw. durchlässigen Zustand gebracht. Mit anderen Worten ergibt
der Teil I die gleiche Wirkung wie der in der F i g. 1 gezeigte tetraedrische Hohlleiter.
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Es wird vorausgesetzt, daß auf den Teil I die linear polarisierten
elektromagnetischen Wellen Et" mit der Polarisationsebene in der Richtung der X-Achse
eingestrahlt und an die Ferrite 5, 5' das äußere Magnetfeld HDc angelegt werden.
Hierbei werden, wie beim Betriebsprinzip des tetraedrischen Hohlleiters, die Wellen
Ei" in ihrer Polarisationsebene um 90° gedreht und als linear polarisierte Wellen
in der Richtung der y-Achse zum Teil I1 geführt.
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Der Teil 1I stellt, wie oben erwähnt ist, für in der Richtung der
X-Achse linear polarisierte Wellen eine Sperre dar, ist jedoch für in der Richtung
der y-Achse linear polarisierte Wellen übertragend. Et wird demnach über
den Teil II zum Teil III geführt. Im Teil III wird analog zum Teil I die Polarisationsebene
von Et
um 90° gedreht. Die Polarisationsebene der linear polarisierten Wellen
liegt damit wieder in der Richtung der X-Achse, und in dieser Polarisation treten
die Wellen als Eo,,t am Austritt auf. Der Schalter befindet sich also im Zustand
»Durchlassen«.
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Wenn dagegen das äußere Magnetfeld HDc an die Ferrite 5, 5' nicht
angelegt wird, wird die Polarisationsebene der eingestrahlten elektromagnetischen
Wellen Ei", da die Ferrite 5, 5' nur als Dielektrikum wirken, nicht gedreht, so
daß sie mitten im Teil I reflektiert und zum Eintritt zurückgeführt werden. Der
Schalter befindet sich dann im Zustand »Sperren«. In der Praxis kann es allerdings
sein, daß ein geringer Teil der Wellen Et" durch die mechanische Verzerrung, die
Remanenz des Ferrites 5 usw. einer Polarisationsdrehung von 90° unterworfen und
als Et
über den Teil II zum Teil III geführt wird. Dieser Wellenanteil wird
(analog zum Teil I) fast vollständig im Teil III reflektiert. Die als E"t austretenden
Wellen sind damit im Sperrzustand sehr wenig, und die Sperrdämpfung beträgt über
-60 db, was in der Praxis vernachIässigbar gering ist im Vergleich zu den Werten
des Schalters nach der F i g. 1.
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Wie aus dem Obengesagten ersichtlich, kann bei dem HohlleiterschaIter
nach der Erfindung die Streuung im Zustand »Sperren«, die den größten Nachteil des
aus dem bisherigen tetraedrischen Hohlleiter bestehenden Schalters darstellt, wesentlich
verbessert und nicht nur eine Sperrdämpfung von über 60 bis 70 db, sondern auch
eine vereinfachte Herstellung des Hohlleiters erreicht werden, weil die Toleranzforderungen
usw. nicht mehr so eng gehalten werden müssen.
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Es handelt sich somit um einen aus Hohlleitern bestehenden Schalter,
bei dem die Hohlleiterübergänge, bei denen die Breite von einem Ende des rechteckigen
Hohlleiters bis zur die Grenzfrequenz für die übliche TE1Q-Mode darstellenden Breite
längs der axialen Richtung stetig abnimmt, mit einem Ansatz, dessen Höhe mit der
Abnahme der obigen Breite zunimmt, auf der schmalseitigen Wand versehen sind und
bei dem der stabförmige gyromagnetische Stoff auf der Mittelachse vorgesehen ist
und bei dem weiterhin der Hohlleiterteil, der von den obigen Übergängen beiderseits
gehalten ist, als ein Steghohlleiter für den TEiä Mode mit der gegenüber dem obigen
TEiö Mode um 90° gedrehten Polarisationsebene dient und einen Querschnitt aufweist,
der
in der Höhe des Ansatzes mit der obigen die Grenzfrequenz darstellenden
Breite übereinstimmt. Die drei Hohlleiterabschnitte sind in Kaskade geschaltet.