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Zirkulator mit konzentrierten Schaltelementen für kurze elektromagnetische
Wellen Die Erfindung betrifft einen Zirkulator für kurze elektromagnetische Wellen
im Bereich der Meter-und Dezimeterwellen mit konzentrierten Schaltelementen, bei
dem zwischen zwei aus gyromagnetischem Material bestehenden, durch ein magnetisches
Gleichfeld vormagnetisierten Scheiben, die sich zwischen zwei metallischen Platten
befinden, ein Innenleitersystem angeordnet ist, das aus drei jeweils um 120° versetzten
flachen Leiteranordnungen besteht, die einseitig mit einem Gehäuse verbunden sind
und deren anderes Ende jeweils mit einer Transformationsschaltung in Verbindung
steht.
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Bekanntlich wird unter einem Zirkulator ein elektrischer Mehrpol verstanden,
der nichtreziproke Eigenschaften hat. Bei diesem Mehrpol kann die bei einem Anschlußarm
eintretende elektromagnetische Energie nur an dem in Umlaufrichtung nächstfolgenden
Arm austreten, während alle anderen Anschlußarme eine hohe Entkopplung aufweisen.
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Es sind beispielsweise durch die französische Patentschrift 1416133
bereits Zirkulatoren für den Bereich der Meter- und Dezimeterwellen bekanntgeworden,
bei denen das nichtreziproke Verhalten der Anordnung dadurch erreicht wird, daß
drei Spulen über einen gemeinsamen, aus gyromagnetischem Material bestehenden vormagnetisierten
Kern gewickelt sind. Die Spulen sind dabei in der Weise angeordnet, daß ihre Achsen
jeweils um 120° versetzt sind. Zwischen die jeweiligen Anschlußleitungen und jede
dieser Spulen sind Anpassungsnetzwerke aus konzentrierten Induktivitäten und Kapazitäten
geschaltet, die der Anpassung des aus den Spulen bestehenden Innenleitersystems
an die Wellenwiderstände der jeweiligen Anschlußleitungen dienen. Derartige Anordnungen
haben jedoch den Nachteil, daß die im gyromagnetischen Material entstehende Wärme
verhältnismäßig schwer abzuführen ist.
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Es ist weiterhin eine Anordnung bekanntgeworden, bei der die Spulen
durch drei um 120° gegeneinander gedrehte Bandleiter ersetzt sind, deren magnetisches
Wechselfeld wenigstens an einer metallischen Platte gespiegelt wird. Dabei ist das
gyromagnetische Material zwischen den Bandleitern und den das Wechselfeld spiegelnden
metallischen Platten angeordnet. Zur Symmetrierung der Kapazitäten sind die Bandleiter
in der Art von parallelgeschalteten Doppelleitern ausgebildet, die ineinander verflochten
sind. Abgesehen davon, daß es fertigungstechnisch schwierig ist, die einzelnen Teilleiter
miteinander zu verflechten, muß zusätzlich noch für eine Isolierung zwischen den
Teilleitern gesorgt werden, die die Herstellung weiterhin erschwert. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten in verhältnismäßig
einfacher Weise zu begegnen. Insbesondere soll ein Weg zum Aufbau eines Zirkulators
für den Bereich der Meter- und Dezimeterwellen gezeigt werden, der bei guten elektrischen
Werten einen einfachen Aufbau ermöglicht.
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Ausgehend von einem Zirkulator für kurze elektromagnetische Wellen
im Bereich der Meter- und Dezimeterwellen mit konzentrierten Schaltelementen, bei
dem zwischen zwei aus gyromagnetischem Material bestehenden, durch ein magnetisches
Gleichfeld vormagnetisierten Scheiben, die sich zwischen zwei metallischen Platten
befinden, ein Innenleitersystem angeordnet ist, das aus drei jeweils um 120° versetzten
flachen Leiteranordnungen besteht, die einseitig mit einem Gehäuse verbunden sind
und deren anderes Ende jeweils mit einer Transformationsschaltung in Verbindung
steht, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jede Leiteranordnung
aus wenigstens drei zueinander parallel verlaufenden Bandleitern besteht, die außerhalb
der aus gyromagnetischem Material bestehenden Scheiben parallel geschaltet sind;
und daß die beiden den Scheiben aus gyromagnetischem Material unmittelbar benachbarten
Leiteranordnungen an den den Transformationsschaltungen zugekehrten Enden durch
einen Kondensator miteinander verbunden sind, dessen Kapazität derart gewählt ist,
daß die Summe dieser Kapazität und der Kapazität der beiden Leiteranordnungen zumindest
näherungsweise gleich der Kapazität jeder der beiden Leiteranordnungen gegenüber
der mittleren Leiteranordnung ist.
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In einfacher Weise lassen sich die einzelnen Leiteranordnungen durch
Aussparungen aus einem durchgehenden Blech gewinnen. Vorteilhaft ist es dabei, wenn
der Abstand der einzelnen Bandleiter deren einfachen bis doppelten Breite entspricht.
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Eine kompakte und fertigungstechnisch leicht zu beherrschende Bauweise
läßt sich durch einen derartigen Aufbau - erzielen, daß das Innenleitersystem
eine
Symmetrieebene einer geschichteten Baueinheit bildet, bei der sich an das Innenleitersystem
die. aus gyromagnetischem Material bestehenden Scheiben anschließen, die von elektrisch
leitenden Platten begrenzt sind, daß die elektrisch leitenden Platten mit jeweils
nur einem Leiter der Zuführungsleitungen in Verbindung stehen und daß in diese Plattem
im Bereich der aus gyromagnetischem Material bestehenden Scheiben Polschuhe aus
magnetisch leitendem Material eingelassen sind; daß auf die- Po- lschuhe Permanentmagnete
aufgesetzt sind an die sich Magnetjoche anschließen, und daß die beiden Magnetjoche
durch Bolzen aus magnetisch leitendem Material miteinander verbunden sind, die das
gesamte System mechanisch starr zusammenhalten.
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In einfacher Weise 'läßt sich eine Temperaturkompensation der elektrischen
- Eigenschaften des Zirkulators dadurch erreichen, daß im Zuge des magnetischen
Kreises im Hauptschluß öder - im Nebenschluß zusätzlich ein weichmagnetisches Material
vorgesehen ist, dessen Abhängigkeit von der Temperatur wesentlich stärker als die
von Eisen ist.
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An Hand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch
näher erläutert.
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In den F i g. 1 a und 1 b ist zum besseren Verständnis der -an sich
bekannte Stand- der Technik wiedergegeben. Die F i g. 1 b stellt dabei einen Querschnitt
entlang der Schnittlinie A -B von .F i ,g. -1 a dar.. Zwischen zwei metallischen
Platten 12 und 12' befinden sich zwei aus gyromagnetischem Material bestehende Scheiben
13 und 13', deren mechanischer Zusammenhalt im einzelnen nicht dargestellt ist.
Zwischen den Scheiben 13 und 13' aus gyromagnetischem Material liegen jeweils um
120° gegeneinander versetzte metallische Leiter 1, 2 und 3; die auf der einen Seite
mit einem Gehäuse, z. B. den Scheiben 12.und 12' verbunden sind, wie es in
der F i g. 1 a durch das Erdschaltsymbol angedeutet ist. An ihren anderen Enden
stehen die metallischen Leiter mit Transformationsschaltungen 14 in Verbindung;
die beispielsweise in Form eines Hochpaßhalbgliedes ausgebildet sein können und
die der Anpassung des Eingangswiderstandes der Leiter 1, 2 und 3 an den Wellenwiderstand
der Zuführungsleitungen dienen. Die Zuführungsleitungen können beispielsweise symmetrische
oder unsymmetrische Hochfrequenzleitungen sein. Die metallischen Platten 12 und
12' bilden die Rückführung des über die Leiter 1, 2 und 3 zufließenden Stromes und
spiegeln gleichzeitig das um diese Leiter entstehende magnetische Wechselfeld, ;
das durch die gestrichelten Linien 15 angedeutet ist. Das magnetische Gleichfeld
ist durch den mit H bezeichneten Pfeil angedeutet und kann beispielsweise durch
Permanentmagnete erzeugt werden. Die elektrische Wirkungsweise beruht darauf, daß
wegen ; der Präzession der magnetischen Momente unter dem Einfluß des Magnetfeldes
H die überkopplung der in den Leiter 1 eingespeisten elektromagnetischen
Energie polarisationsabhängig ist. Daher wird vorwiegend auf den Leiter 2 Energie
übergekoppelt, t während der Leiter 3 nahezu entkoppelt bleibt. Analog gilt diese
überlegung auch bei Einspeisung der elektromagnetischen Energie am Leiter 2, die
somit nahezu vollständig am Leiter 3 abgegeben wird, bzw. bei Einspeisung der elektromagnetischen
Energie am Leiter 3, die nahezu vollständig am Leiter 1 abgegeben wird. Dieses Verhalten
wird durch den Pfeil 16 angedeutet. Diese Anordnung hat den Nachteil, -daß sich
wegen der , verhältnismäßig breiten Leiter 1, 2, 3 eine inhomogene Anregung der
Spinnpräzession in den aus gyromagnetischem Material bestehenden Scheiben ergibt,
weswegen bei der einleitend bereits beschriebenen Anordnung der Weg der Aufteilung
in Teilleiter beschritten wurde: Zur Symmetrierung der Streukapazitäten der einzelnen
Leiter-gegeneinander müssen die Teilleiter untereinander verflochten. werden, und
es ergibt sich die bereits erwähnte Schwierigkeit hinsichtlich der Herstellung und
der exakten Reproduzierbarkeit der elektrischen Verhältnisse.
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Eine wesentliche Verbesserung der Eigenschaften eines derartigen Zirkulators
läßt sich durch das in der F i g. 2 in der Draufsicht und in der Seitenansicht gezeichnete
Innenleitersystem erreichen. Dieses lnnenleitersystem besteht aus den drei Leiteranordnungen
1.',. 2' und 3'; die jeweils- um 12Q° gegeneinander versetzt sind. Die Leiteranordnungen
1', 2' und 3' .sind in. wenigstens drei, beispielsweise in fünf, einzelne Bandleitex
aufgeteilt, die -zueinander parallel verlaufen und die außerhalb der aus. gyromagnetischem
Material bestehenden Scheiben 13 und 13' über die Verbindungselemente 17 -parallel
geschaltet sind. Die Leiteranordnungen 1', 2' und 3' sind, wie im -Ausführungsbeispiel
der F i g. l a, einseitig mit dem Gehäuse des Zirkulators verbunden. Die Leiteranordnungen
1' und ,',die den aus. gyromagnetischem Material bestehenden Scheiben
13 und 13' unmittelbar benachbart sind, sind zusätzlich über einen Kondensator C,13
miteinander verbunden. Die Kapazität der Leiteranordnung 1' gegen die Leiteranordnung
2' sei mit C12, die Kapazität der Leiteranordnung 2' gegen die Leiteranordnung 3'
sei mit C23, die Kapazität der Leiteranordtlung 1' gegen die Leiteranordnung
3' sei mit C13 bezeichnet. Die Kapazitäten C12 und C23 sind näherungsweise untereinander
gleich und wegen des geringeren Abstandes der jeweiligen Leiteranordnungen grundsätzlich
größer als die Kapazität C13. Für die symmetrische Funktion des Zirkulators ist
es jedoch wesentlich, daß diese drei Kapazitäten untereinander möglichst gleich
groß sind. Aus diesem Grund wird der Kapazitätswert des zwischen den Leiteranordnungen
1' und 3' liegenden zusätzlichen Kondensators C,13 so gewählt; daß zumindest näherungsweise
die Beziehung C12 "' C23 ^ C13. + Cs13 gilt. Durch diesen Aufbau kann man
so breite Leiteranordnungen verwenden, daß die Scheiben aus gyromagnetischem Material
nahezu vollständig vom Innenleitersystem bedeckt sind; trotzdem wird die Präzession
der magnetischen Momente in den Scheiben aus gyromagnetischem Material homogen argeregt,
weil das magnetische Wechselfeld jeder der Leiteranordnungen die anderen Leiteranordnungen
nahezu urverzerrt durchdringen kann. Auf diese Weise läßt sich die Bandbreite der
Entkopplung gegenüber den bekannten Anordnungen wesentlich vergrößern und gleichzeitig
die Durchgangsdämpfung der in Umlaufrichtung aufeinander folgenden An. schlußatme
erheblich verringern.. Bei einem in Frequenzbereich um 210 MHz realisierten Ausführungsbeispiel
läßt sich mit dem in der F i g. 2 dargestellten Innenleitersystem für eine Entkopplung
von 20 d6 eine Bandbreite von etwa 8 % *und eine Durchgangsdämpfung von etwa 0,4
db erreichen-
Die einzelnen Leiteranordnungen lassen sich in einfacher
Weise dadurch herstellen, daß die Bandleiter sowie die Verbindungselemente 17 durch
Ausstanzen, Ausätzen aus Metallfolien bzw. metallkaschierten Kunststoffolien hergestellt
werden.
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Für die elektrische Wirkungsweise hat es sich, wie der Erfindung zugrunde
liegende Untersuchungen gezeigt haben, als vorteilhaft erwiesen, den Abstand der
einzelnen Bandleiter in einem Bereich zu wählen, der der einfachen bis zur doppelten
Breite der Bandleiter entspricht. Hinsichtlich der Durchgangsdämpfung sowie hinsichtlich
der Bandbreite lassen sich innerhalb dieses Abstandsbereiches besonders günstige
Werte erreichen.
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Die F i g. 3 zeigt den Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel, bei
dem das in der F i g. 2 gezeichnete Innenleitersystem verwendet ist. Die Anpassungsschaltungen
14 und die Symmetrierungskapazität C,13 sind zur besseren Übersicht nicht
mehr im einzelnen dargestellt. Die gesamte Anordnung ist in ein Gehäuse 9 eingebettet,
an dem die beispielsweise koaxial ausgebildeten Zuführungsleitungen 10 befestigt
sind. Die einzelnen Leiteranordnungen 1', 2' und 3' führen dabei jeweils über die
Anpassungsschaltungen zu den Innenleitern der Zuführungsleitungen 10. Auf beiden
Seiten des Innenleitersystems liegen die aus gyromagnetischem Material bestehenden
Scheiben 13 und 13', an die sich die elektrisch leitenden Platten 12 und 12' anschließen.
In die Platten 12 und 12' sind im Bereich der aus gyromagnetischem Material bestehenden
Scheiben 13 und 13' die Polschuhe 4 und 4' eingelassen.
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Beim Ausführungsbeispiel ist im Hauptschluß des magnetischen Kreises
ein weichmagnetisches Material vorgesehen, wie es durch die Platten 5 und 5' dargestellt
ist. Dieses Material hat eine Abhängigkeit der Magnetisierung von der Temperatur,
die stärker ist als die von Eisen; es soll das magnetische Gleichfeld H so steuern,
daß die Eigenschaften des Zirkulators möglichst wenig temperaturabhängig sind. Derartige
Materialien sind beispielsweise unter dem Handelsnamen Thermoflux bekannt. Es kann
jedoch auch sein, daß das Temperaturverhalten des Zirkulators derart ist, daß solches
Material nicht im Hauptschluß, sondern im Nebenschluß zum magnetischen Kreis angebracht
sein muß, um eine ausreichende Temperaturkompensation der Eigenschaften des Zirkulators
zu bewirken. An die Platten 5 und 5' schließen sich die Permanentmagnete 6 und 6'
an. Über die Magnetjoche 7 und 7' und über die aus magnetisch leitendem Material
bestehenden Bolzen 8
wird der magnetische Gleichfluß geschlossen. Die Bolzen
8 dienen gleichzeitig dazu, die gesamte derart geschichtete Baueinheit mechanisch
starr zusammenzuhalten. Zwischen den einzelnen Leiteranordnungen 1' bis 3' müssen
isolierende Folien vorgesehen werden, die in der Zeichnung im einzelnen nicht dargestellt
sind. Durch diesen Aufbau ist die notwendige elektrische und magnetische Symmetrie
zur Erzielung homogener Felder gewährleistet.