DE1283926B - Ferritanordnung zur Erzeugung von Mikrowellenimpulsen - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Ferritanordnung zur Erzeugung von Mikrowellenimpulsen mit Hilfe einer elektromagnetischen Schwingung als Pumpsignal in einem rechteckigen Hohlraumresonator, bei der eine durch ein statisches Magnetfeld vormagnetisierte, in dem Hohlraumresonator angeordnete, im Vergleich zur Wellenlänge der erzeugten Mikrowellen kleine, einkristalline Ferritscheibe nach hinreichend kurzem zeitlichem Anstieg eines gepulsten Magnetfeldes auf einen im Vergleich zum statiscgen Magnetfeld wesentlich höheren Endwert, einen Mikrowellenimpuls höheier Frequenz als der des Pumpsignals abstrahlt, dessen Frequenz der durch das resultierende Magnetfeld bestimmten Eigenfrequenz der Spinpräzession entspricht.
• Verfahren zur Erzeugung und Verstärkung von Mikrowellenenergie aus der Wechselwirkung zwischen isotropen f2rritmagnetischen Materialien und pulsierenden bzw. gepulsten Magnetfeldern sind bekannt. Beispieisweise wird ein starkes ' schaltbares Magnetfeld mit einer transversalen Komponente zu einem schwächeren statischen Magnetfeld verwendet, wobei letzteres die Auf#Rabe hat, einen Ferritkörper bis zur Sättigung zu magnetisieren. Ist die Anstiegszeit des Schaitimpulses klein gegen die Relaxationszeit der elementaren magnetischen Momente (Spins) des Ferrits, so entsteht vorübergehend ein großer Winhel zwischen dem resultierenden Magnetfeld und dem Vektor der homo.genen Magnetisierung, so daß dieser eine freie Präzession um die neue Gleichgewichtslage

  ausführt und dabei seine potentielle Energie in ei-gen

  geeigneien Mikrowellenkreis abstrahlt. Hierbei ist

  die Strahlungsausbeute am größten, wenn der Winkel

  zwischen dem statischen Sättigungsfeld und dein

  gepulsten l#lagprztfe!d nahezu 180' beträgt. Weiterhin

  #o11 di-, magrictischz Anisotropie von gewissen Ferrilt-

  einkristallen durch ein gepulstes Magnetfeld so

  ändI-rt werden k;,-;pnen, daß metastabile Gleichge-

  wichtslager, der Spins während der Pulsdauer ver-

  ?chwinden. Der Magnetisierungsvektor präzi2diert

  dann um die näci,3tgelegene stabile Lage und strahlt

  dabei Energie ab.

  Diti Verstärkung von MiL-row,-lienenf2r-i2 bedient

  sich eines ähnlicher- Verfahrens, jedoch wird hier für

  das gyromagnetische Element im Schniupunkt des

  magneuschen Feldes eiaes Pumpsignals mit einer

  -rz,ter F-r2rg,#i--.nz und des magnetischen Feldes ein,--s

  zi, vel-siärkendere Signals mit einer anderen Frequt-;nz

  k-ristallis:,--rt-.s Material verwend-,t.

  in JPen dl;üsei Fällen entstammt die Mikro#.vollen-

  enerri-- Magnetfeld des Ptin-#psign.q1#; oder dein

  Sie kann jedoch auch - ganz

  Jder teilweise von einem Mikrowelleneingangs-

  zign- ii-*2driiz rz# Frequenz herrühren, dff s2n magne-

  i , - e ,

  tischer Vektor s---nkrecht zu einem statisch--n Magnet-

  feld H" orieii;e-7t ist.

  Bei der Eingangsfrequenzf, dcs Pui-ni#,7igrials

  I-Jzj in i t y = 2,8 M Hzi 0 e (i)

  gerät der Magnetislle.rungsvektor in die ft--rrornagne-

  tische Rcsonanz und..präzediert dalbei um die Richtung

  des Magnetfeldes Rc,. Ist z. B. der Ferritkörper kugel-

  förmig und kubisch kristallisiert, so lzt dzr Präzessions-

  kegel rotationssymm- etrisch zur Zichtung des stati-

  sehen Magnetfeldes HO bei Unsanteni Offhung-,-

  winkel. Ein gepulstes Magnetfeld H in ' Richtung voll

  9. ' - C

  Ho+ erhöht die Rc",--n#anzfrequer,-- wah,#enc! der P-aos-

  dauer auf die Fr#7L#"enzf2.

  Steigt der Magnetfeldimpuls kurzzeitig im Vergleich zur Relaxationszeit der Spins an, so erfolgt während des Anstiegs keine Energieabgabe an das Kristallgitter. Die Spins absorbieren während der magnetischen Impulsdauer auch keine Energie mehr vom Eingangssignal, sondern präzedieren gedämpft mit der erhöhten Resonanzfrequenzf2, wobei sie einen Mikrowellenimpuls gleicher Frequenz in einen geeigneten Leitungskreis abstrahlen. Die abgestrahlte Energie wird teilweise dem Pumpsignal, teilweise dem Magnetfeldimpuls entnommen. Der Vorgang kann periodisch wiederholt werden.
• W Verwendung eines kugel- bzw. scheibenförmigen, kubisch kristallisierten magnetisch isotropen Ferriteinkristalls hat den Nachteil, daß für größere Frequerzumsetzungen verhältnismäßig hohe Magnetfeldimpulse benötigt werden. - Wird beispielsweise eine Frequenz der erzeugten Mikrowellenimpulse f2 = 3 - li = 9000 MHz gefordert, dann muß nach Gleichung (2) das gepulste Magnetfeld HP = 2H0 = 2150 Oe sein. Anstiegszeiten von weniger als 10-' bis 10-' Sekunden erfordern bei solcher magnetischer Pulshöhe einen erheblichen technischen Aufwand. Dieser läßt sich nicht unbeträchtlich verringern, wenn gemäß vorliegender Erfindung bei den eingangs erwähnten Ferritanordnungen zur Erzeugung von Mikrowellenimpulson als Ferritmaterial ein Einkristall von hexagonaler Kristallstruktur verwendet ist, daß die Ferritscheibe aus dem Einkristall derart ausgeschnitten ist, daß die VorzugseL-.-ne der Magnetisierung in Richtung

  der Ebene der Ferritscheibe verläuft, Lind daß sowoh!

  das statische Ma-netfeld als auch das gepulste Magnet-

  C

  feld in der Vorzugsübene liegen.

  Ferrite dieser Art (sogeiiannte planare Ferrite)

  werden unter dem Handelsnamen »Ferroxplona«

  hergestellt. Sie sind dadurch ausgezeichnet, daß die

  Basis hexagonalen Kristalls eine Vorzugsebene für

  die Magnetisicrung darstellt. Genauer gesagt, be-

  finder, sich inder Vorzugsebene drei Achsen leichtester

  Magnetisierung, nämlich die kristallographischen

  a-A. chsen. Legt man die Vorz-a-sebene in die x-jy-Ebene

  eines kartesischen Koordinatensystems und läßt die

  x-Achse mit eiiie--i a-Achse zusammenfallen, so hat

  der Magnetisierungsvel-,tor in x-Richtung eine stabile

  Gleichgewichislage. Bei einer kleinen Auslenkung

  in y-Richtung ist er durch das Kristallanisoliopie-

  feld Il# an seine Gleichgewichtslage gebunden, bei

  einer Auslenkung in z-Richtung durch das Kristall-

  anisoiropiefeld H". Für Ferroxplana-Materialien gilt

  unter diesen Bedingungen

  H' » Hjl

  Z y

  Die ferromagnetische Eigenfrequenz der erfindungs-

  g,zm2Lßer. Forritscheibe berechnet sieh obne gepulstes

  Magnetfeld aus

  (3)

  mit

  Hyl =

  Ji_I = A + 4.T.Al# HO >- HP > Hyl

  Materialkonstante)

  utAtür #J,42r d#A# die Höhe der Schei be

  klein ihr.m Durchn:.(#sser ist. Diese Resonanz

  läßt sich durch ein senkrecht zum statischen Magnetfeld HO angelegtes magnetisches Wechselfeld der Frequenzfl anregen. Während der Präzession beschreibt der Magnetisierungsvektor einen elliptischen Kegel um die Ruhelage.
• Für die Dauer des Magnetfeldimpulses mit der Höhe H, erhöht sich die Resonanzfrequenz auf mit H,2 = H,1 + H, , H-2 = H-1 + Hp ;e H#, so daß annäherungsweise gilt Ist die Anstiegszeit des Magnetfeldimpulses klein gegen die Relaxationszeit der Spins, so gelten auch hier die Bemerkungen im Anschluß an Gleichung (2).
• EinEinkristall eines planarenFerrits C02Ba2Fel2022 (abgekürzt C02Y) besitzt die Materialparameter

  H#I 28 000 Oe,

  H A

  y 150 Oe,

  4 ir M, 2 30C Oe

  Die als Beispiel geswilte Forderung Jj = 3.f, C - 9000 MLIz läßt sich z. B. für einei., erfindungsgemäß verwendeten Co2Y-Einkristall errüllen, wenn fl, = 112 Oe und las gepulste Magnetfeld, 1-Ip = 304 Oe gewählt werden. Das erforderliche gepulste Magnetfeld ist somit mehr als siebenmal gennger als bei gleicher Frequenztranslatir-n für eine Kugel aus kubisch kristallisiertern. Ferrh berechnei wurde.
• in der Ausführung des 1,#likrowelleniiiiptilsgene#,ators wird der Ferriteinkristall in einem geeignetüii Hohlraumresonator angeordnet, der sowohl in der Frequeiizji als auch in der Frequenzj# anregbar ist. Als Ausführungsbc-ispiel zeigt die Figur der Zeichnung einen rechteckigen Hohlraurn 1 mit den Kantenlängen a, b und e, der bei fl = 3000 MHz als H,0,-, bei f2 = 9000 MI-lz als H,03-Resonator schwingt. Die Anordnung des FerriLs im Hohlraumresonator erfolgt so, daß sowohl mit der anregenden H""-als auch mit der vom Ferrit induzierten 1-1" -Schwingung ausreichendeWechseIwirkung besteht. Die Ferritscheibe 2 liegt in den magnetischen Feldmaxima der H",- Lind der 1--1.3,3-Schwngung, und zwar parallel zur Hohlrautrifläche (a, b). Ein dünner diekAtrischer Stab 3, vorzugsweise aus Pol, > "styrolscl-tauii7, hält die Scheibe mittels ein wenig Kitt und ist seinc Achse drehbar durch die Mitte der Hohlraurnwand (cf, b) geführt. Auf diese Weise läßt sich eine der des Einkristalls gemäß Erfindung parallel zur -#l"-Ac'#ise und _i einem #.-ta-tischen äußeren Feld H, ein#instieren. Die Quelle des statischen Magnetfeldes ein geeigneter Elektromagnet - ist nicht Eine- Stromschleife 4 ist mit ihrem einen End,- leitend mit dem Hohlraum verbunden, während das anderc Ende durch eine kleine Offnung in der Wand (a, bi, isoliert nach außen geführt wird.. Die Scideife unischließt den Ferrit parallel zur so daß durch einen Stromstoß ein magnetischer Feidimpuls parallel zu HO erzeugt wird. Der Stromstoß kann z. B. in an sich bekannter Weise durch die Entladung eines Kondenswors 5 erzeugt werden, die Über elne Funkenstrecke 64 erfolgt und durch einen Trigger ausgelöst werden kann. Die Zeitkonstante im Entladekreis muß klein sein gegen die Relaxationszeit im Ferrit.
• Als weitere Details zeigt das Ausführungsbeispiel der Figur in halbschematischer Darstellung einen S-Band-Hohlleiter 7, der über ein Kopplungsloch 8 die Pumpfrequenz fl = 3000 MHz anregt. Die Energiezufuhr kann impulsgemäß oder kontinuierlich erfolgen. Die elektrischen Felder von Hohlleiter und Resonator sind bei der gewählten Anordnung. entkoppelt. Die Auskopplung der I-Iw3-Schwingung (f2 = 9000 MHz) erfolgt über die Lochblende 9 in den X-Band-Hohlleiter 10.
• Das Eingangssignal der Frequenzfl soll nach Möglichkeit einen gewissen, , rechnerisch erfaßbaren Amplitudenwert nicht überschreiten. Im allgemeinen fällt der Wirkungsgrad um so besser aus, je kürzer die Dauer des Ausgangsimpulses im Vergleich zur Relaxationszeit des Ferrits ist. Die Dauer der er-

  zeugten Mikrowellenimpulse hängt von der Strah-

  lungsdämpfung und damit von der Güte der H3oz-

  Resonanz und dem Kopplungsgrad zwischen dieser

  Resonanz und der ferromagnetischen Eig";"..-iresoiiaiiz

  des Ferritkörpers ab. Unter optimalen Bedingungen

  sind einige Watt Impulsleistung der Mil-rc),Arellei)-

  impulse zu erwarten.

  Mit dem Ausführungsbeispiel wird eine

  verdreifachung erreicht. Durch geeignete W,-"#-"ii des

  statischen und des gepulsten Magnetfeldes 'bei

  entsprechender Dimensionierung des Resonators läß!

  sich eine beliebige - auch ungeradzahlig#-, - Vur-

  vielfachung erzielen. Für hohe Aasgangsfrequenzei#

  sind planare fe.-rite mit möglichst großer Kris7.al#-,

  anisotropie zu. bevorzugen. Eine zweckdienliche

  gröLzrung der Relaxationszeit des Ferrits clii##:c,!i

  sorgr,;ltiges Polieren der Kristalloberfläche

  Bei Verwendung geeigneter Materialien könneii di-

  Vorteile dererfindungsgemäßen F'erri+,ai).ordiitj"-#g

  für die Impulserzetigung in mrn-Wellenber,.-"#-l-'#') atis--

  geautzt werden.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. 17,erritanordnung zur Erzeutgung von wellenimpulsen mit Hilfe einer el,#-ktrt3#,iiagneti,- scheu Schwingung als Puro.psigiii.1 in einein rechit- ückigen Hohlrauniresonatof, h-i der eine .. #t# in ein statisches Magnetfeld /oriiiagnetisie,# ,dein Hohlraumresonatür angeordnete. irr. gleich zur Wellenlänge dei erzeugten Mikroweller icleiiie,oinkristallineFerritschei#ienach!iiri.#-,--iciier".#.l, zeitliche.,nAnstieg eines gepule"#n ##,Jang-ci- 5.Ades auf einen ini Veräleich, züm Magnetfeld wesentlich höheren Eiidv.c-#t, einen #,4#,',krowel#eiiiinpi,its höherer Frequenz ##ls ci#cz#- des PLiiiipsig2#x.-tls abstrahlt, Fr,--(i.,tienz der Jurch Jas resultiereri#l#- Magnetfeld bes-# minten F, 0 - ,.,#,ql.ienz der Sj.,#innprä,-c##sion a - o r c ii a c k e n n z e i c li -i c# C, daß a#s Ferrl material ein Einkristall von he#K2gonaler Kristall- struktur verwendet ist, dich Feir;tschei-b# düm Einkristall derart ausgesclw.i.#nen i#t, die Vorzugsebene der Magnetisierung in RieWung Jer Ebene der Ferritscheibe verkluft, und daß sowohl das statische Magnetfeld als auch, eias gegulste Magnelfeld in der Vorzugscbene iic«le-ii. Ferritanordnung nach AusprÜch L gekennzeichnet, daß die Fe-ritscheihe (2e in dum mit den Frequenzen 0.eä Pujiii>sjqyiah" dür- erzeugten Mikrowellenimpulse anregbaren Hohlraumresonator (1) in den magnetischen Feldmaxima dieser beiden Schwingungen angeordnet ist. 3 ' Ferritanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer Stromleiterschleife (4) umgebene Ferritscheibe (2) von außen drehbar ist. 4. Ferritanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpsignal dem rechteckigen Hohlraumresonator (1) über eine Lochkupplung (8) 4uf dessen breiteren Fläche (y, z) zugeführt ist, während die Auskopplung (9) der Mikrowellenimpulse an der schmalen Fläche (xy) gegenüber der Ferritscheibe (2) erfolgt.