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Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzverdoppler für insbesondere
mit sehr kurzen elektromagnetischen Wellen arbeitende Einrichtungen und Anlagen.
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Frequenzverdoppler stellen einen Sonderfall einer Mischanordnung dar,
deren nichtlineares, zur Mischung verwendetes Element eine überwiegend quadratische
Charakteristik aufweist. Frequenzverdoppler dieser Art bestehen beispielsweise im
Mikrowellengebiet aus mit Ferritkörpern belasteten Hohlleiteranordnungen, die mit
einer die notwendige Trennung der in ihrer Frequenz verdoppelten elektromagnetischen
Welle von den übrigen Produkten herbeiführenden besonderen Filterstruktur ausgerüstet
sind. Diese Filterstrukturen sind, wie bereits angedeutet worden ist, dadurch bedingt,
daß sich bei solchen Frequenzverdopplern eine quadratische Charakteristik nur näherungsweise
realisieren läßt. Darüber hinaus bleibt hier der Wirkungsgrad in verhältnismäßig
bescheidenen Grenzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Lösung für
einen Frequenzverdoppler anzugeben, der sich unter anderem durch einen besonders
großen Wirkungsgrad auszeichnet.
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Ausgehend von einem Frequenzverdoppler für insbesondere mit sehr kurzen
elektromagnetischen Wellen arbeitende Einrichtungen und Anlagen, bestehend aus einem
Körper aus magnetischem, von einem Gleichfeld in einer ersten Richtung vormagnetisierten
Material, auf den in zur ersten Richtung senkrechten Richtung ein magnetisches Wechselfeld
einwirkt, das im Körper in der ersten Richtung ein magnetisches Wechselfeld der
zweifachen Frequenz des ihn erregenden magnetischen Wechselfeldes erzeugt, wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der magnetische Körper eine
dünne magnetische Schicht von der Stärke einiger 100 A ist, die parallel zur Schichtebene
vom Gleichfeld vormagnetisiert ist und unmittelbar von zwei Leiteranordnungen umgeben
ist, die so angeordnet sind, daß einerseits die den Eingangskreis darstellende Leiteranordnung
eine magnetische Achse aufweist, die in der Schichtebene liegt und senkrecht zur
Achse des magnetischen Gleichfeldes ausgerichtet ist, und andererseits die den Ausgangskreis
darstellende Leiteranordnung eine magnetische Achse aufweist, die ebenfalls in der
Schichtebene liegt, jedoch wenigstens annähernd in Richtung des magnetischen Gleichfeldes
ausgerichtet ist.
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Dünne magnetische Schichten, beispielsweise aus Permalloy, sind einige
100 A dick und werden durch Aufdampfen, Aufstäuben, galvanisch oder auf chemischem
Wege auf einen nichtmagnetischen Träger aufgebracht. Sie haben unter anderem die
Eigenschaft, daß die Lage ihres Magnetisierungsvektors mit großer Genauigkeit in
der Schichtebene liegt, und in dieser Ebene durch von außen angelegte Magnetfelder
in jede beliebige Richtung gedreht werden kann. Es ist bekannt, dünne magnetische
Schichten der beschriebenen Art mit einer magnetischen Vorzugsrichtung für Schalt-
und Speicherzwecke, beispielsweise in datenverarbeitenden Maschinen mit hohen Speichergeschwindigkeiten,
zu verwenden.
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Wie der Erfindung zugrunde liegende, einschlägige i Untersuchungen
gezeigt haben, folgt der Magnetisierungsvektor einem von außen an die Schicht angelegten
magnetischen Feld unmittelbar noch bis zu hohen Frequenzen. Außerdem zeigt sich,
daß der Betrag des Magnetisierungsvektors als konstant angesehen werden kann. Gemäß
der Erfindung können nun dünne magnetische Schichten auf Grund der genannten Eigenschaften
auch zur Frequenzmischung, insbesondere zur Frequenzverdopplung, herangezogen werden.
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Die zur Frequenzverdopplung ausgenutzte dünne magnetische Schicht
kann zweckmäßigerweise eine magnetische Vorzugsrichtung aufweisen, die am besten
mit der Richtung des magnetischen Gleichfeldes zusammenfällt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist keineswegs, wie oben bereits angedeutet
wurde, auf Frequenzverdopplung in engem Sinn beschränkt, sondern kann mit Vorteil
ganz allgemein als Mischer mit quadratischer Charakteristik für zwei und mehr elektromagnetische
Wellen unterschiedlicher Frequenz verwendet werden. Zu diesem Zweck kann die Schicht
gegebenenfalls auch mit mehr als zwei Leiteranordnungen, beispielsweise drei Leiteranordnungen,
umgeben sein, von denen zwei Leiteranordnungen jeweils einen Mischereingang abgeben.
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Das magnetische Gleichfeld läßt sich, sofern es regelbar ausgeführt
sein soll, günstig mittels einer gleichstromdurchflossenen Spule erzeugen.
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Oberhalb Frequenzen von etwa 300 MHz sind Schaltungen mit konzentrierten
Schaltelementen nicht mehr geeignet. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung für einen Frequenzbereich oberhalb dieser Grenze ist die magnetische
Schicht auf einer leitenden, im Bereich der Schicht durchbrochenen Platte angeordnet.
Die beiden Leiteranordnungen bestehen hierbei aus Bandleitern, die in zueinander
senkrechter Anordnung parallel zur Platte oberhalb und unterhalb über die Schicht
hinweggeführt sind und zusammen mit der leitenden Platte je eine Streifenleitung
darstellen.
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Die Platte kann mit Vorteil auch aus zwei sich kreuzenden Hohlleiterabschnitten
gebildet sein, in deren Kreuzungsbereich die Schicht angeordnet ist. Die unmittelbar
oberhalb und unterhalb der Schicht in den Hohlleiterabschnitten geführten Bandleiter
können zweckmäßig in- seitlich an den Hohlleiterabschnitten angesetzte Koaxialleitungsanschlüsse
ausmünden.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für hohe
Frequenzen bestehen die Leiteranordnungen aus zwei Rechteckhohlleiterabschnitten,
die, gegeneinander um 90° verdreht, in Achsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Die Schicht ist dabei in der den beiden Rechteckhohlleiterabschnitten gemeinsamen
Verbindungsebene vorgesehen. Außerordentlich günstige elektrische Verhältnisse ergeben
sich bei dieser Hohlleiteranordnung, wenn in dem den Eingang stellenden Rechteckhohlleiterabschnitt
elektromagnetische Energie in der Hiö Wellenform erregt ist, und ferner die Grenzfrequenz
des den Ausgang stellenden Rechteckhohlleiterabschnitts höher gewählt ist als die
Frequenz der im eingangsseitigen Hohlleiterabschnitt erregten elektromagnetischen
Wellen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, den eingangsseitigen Rechteckhohlleiterabschnitt
mit Filtermitteln zur Unterdrückung der im ausgangsseitigen Rechteckhohlleiterabschnitt
angeregten elektromagnetischen Wellen zu versehen.
Die Anwendung
des erfindungsgemäßen Frequenzverdopplers kann infolge der gyromagnetischen Eigenschaften
der Schicht nicht bis zu beliebig hohen Frequenzen angewendet werden. Wie einschlägige,
mit der Erfindung im Zusammenhang stehende Untersuchungen gezeigt haben, lassen
sich besonders günstige Ergebnisse im Frequenzbereich bis zu 5 GHz erzielen.
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An Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt
sind, soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. Inder Zeichnung
bedeutet F i g. 1 ein Zeigerdiagramm nach der Erfindung, F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel
mit konzentrierten Schaltelementen nach der Erfindung, F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel
mit Streifenleitungen nach der Erfindung, F i g. 4. ein Ausführungsbeispiel in Hohlleiterbauweise
nach der Erfindung.
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Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Frequenzverdopplers
sollen zunächst an Hand des Diagramms der F i g. 1 die magnetischen Vorgänge beschrieben
werden. Auf der Ordinate des Diagramms, die gleichzeitig die Richtung des in der
Schichtebene wirksamen magnetischen Gleichfeldes H= angibt, ist der MagnetisierungsvektorM
der Schicht aufgetragen. Die Richtung des Magnetisierungsvektors M, dessen Betrag
als konstant angenommen werden kann, fällt infolge der Wirkung des magnetischen
Gleichfeldes H_ mit deren Richtung zusammen. Durch ein in der Richtung der Abszisse
wirksames magnetisches Wechselfeld H_ führt der Magnetisierungsvektor M um den Nullpunkt
des Bezugssystems eine Pendelschwingung aus, bei der er in jedem Augenblick mit
der Richtung des aus dem magnetischen Gleichfeld H= und dem magnetischen Wechselfeld
H_ resultierenden Feldvektors übereinstimmt. Eine die magnetische Schicht umgebende
Leiteranordnung, die zeit ihrer magnetischen Achse in Richtung des magnetischen
Gleichfeldes ausgerichtet ist, erfährt diese Pendelbewegung des Magnetisierungsvektors
M über den Winkel op in Gestalt einer Änderung der Magnetisierung um den Wert
AM= M(1-coscp). I
Aus 1 ergibt sich mit der Beziehung
und unter Berücksichtigung kleiner Winkelausschläge mit der weiteren Bezeichnung
sin 92 ,@ (p .; tg rp
Die Änderung AM des Magnetisierungsvektors M in Richtung des magnetischen Gleichfeldes
H= ist somit direkt dem Quadrat des Wechselfeldes H-proportional. Mit H-, = IH-1
- sin w t ergibt sich durch Einsetzen in 1I
Die Gleichung III enthält einen Gleichmagnetisierungsanteil und einen Wechselmagnetisierungsanteil
der doppelten Frequenz des magnetischen Wechselfeldes Ih,. In der vorerwähnten Leiteranordnung
wird also eine Wechselspannung mit der zweifachen Frequenz des magnetischen Wechselfeldes
induziert. Die Tatsache, daß die Gleichung III nur einen quadratischen Wechselanteil
enthält, ist Ausdruck dafür, daß der erfindungsgemäße Frequenzverdoppler abgesehen
von den praktisch vernachlässigbaren Ummagnetisierungsverlusten innerhalb der Schichteinen
100°/oigen Wirkungsgrad ermöglicht.
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Im Diagramm der F i g. 1 ist der Winkel (p mit Rücksicht auf eine
gute Darstellung der dem Erfndungsgegenstand zugrunde liegenden Wirkungsweise übertrieben
groß gezeichnet. In der Praxis ist der Winkel sehr viel kleiner und die Amplitude
der Änderung M ebenfalls sehr klein. Dies stellt jedoch keinen Nachteil dar, weil
die in diesem Falle sehr stark eingeprägte Amplitude von A M auch entsprechend stark
belastet werden kann. Ist eine besonders große Amplitude der in der Frequenz zu
verdoppelnden Schwingung erwünscht, dann ist es zweckmäßig, die Stärke des magnetischen
Gleichfeldes so zu bemessen, daß die gyromagnetische Resonanz der Schicht mit der
Frequenz des magnetischen Wechselfeldes H- zusammenfällt. In diesem Falle ist die
Auslenkung des Magnetisierungsvektors M bei gegebener Amplitude des magnetischen
Wechselfeldes H-, am größten. Für einen hohen Wirkungsgrad der Schaltung ist die
gyromagnetische Resonanz jedoch ungeeignet, weil die Schicht in diesem Falle die
größte Leistung absorbiert.
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Die Gleichung III gilt auch dann, wenn das Wechselfeld H_ sich aus
mehreren Komponenten mit verschiedenen Frequenzen zusammensetzt. In diesem Falle
entstehen dann die entsprechenden quadratischen Mischkomponenten.
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Ein einfaches Ausführungsbeispiel nach der Erfindung mit konzentrierten
Schaltelementen, wie es beispielsweise für den Frequenzbereich unterhalb 300 MHz
zur Anwendung gelangen kann, ist sehematisch in der F i g. 2 dargestellt. Die Anordnung
besteht aus einer dünnen magnetischen Schicht 1
von rechteckigem Querschnitt,
die von zwei mit ihren magnetischen Adern senkrecht aufeinanderstehenden Wicklungen
2 und 3 umschlossen ist. Die magnetische Achse der Wicklung 3 fällt ferner mit der
magnetischen Achse zweier oberhalb und unterhalb der Schicht 1 angeordneten Wicklungen
4a und 4b zu-
sammen, die gemeinsam Glas für die erfindungsgemäße Anordnung
erforderliche magnetische Gleichfeld H_ erzeugen. Die Wicklung 2, deren magnetische
Achse senkrecht zum magnetischen Gleichfeld H_ ausgerichtet ist, wird zur Erzeugung
des magnetischen Wechselfeldes H_ von einem Wechselstrom i' ge-
speist.
Die Spanung u3 bzw. der Strom i3 mit der doppelten Frequenz sind an den Anschlüssen
der Wicklung 3 wirksam.
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Eine weitere Anordnung nach der Erfindung, die insbesondere für Frequenzen
oberhalb 300 MHz geeignet ist, zeigt die F i g. 3. Bei dieser Anordnung ist die
Schicht 1 im Kreuzungsbereich zweier senkrecht zueinander angeordneter Hohlleiterabschnitte
S und & rechteckigen Querschnitts angeordnet. Im Bereich der Schicht 1 sind
die mit ihren Breitseiten unmittelbar aneinanderliegenden Hohlleiterabschnitte zum
Zwecke der Kopplung durchbrochen. Die beiden die
Schicht 1 umgebenden
Leiteranordnungen bestehen im wesentlichen aus zwei Bandleitern 2' und 3', die unmittelbar
oberhalb und unterhalb der Schicht in den Hohlleiterabschnitten 5 und 6 geführt
sind und im Bereich der Enden der Hohlleiterabschnitte in seitlich angesetzte Koaxialleitungsanschlüsse
7 und 8 ausmünden. Die Bandleiter 2' und 3' stellen zusammen mit den Hohlleiterabschnitten
5 und 6 in an sich bekannter Weise geschirmte Streifenleitungen dar, deren Magnetfeld
im Bereich zwischen den Bandleitern 2' und 3' und den ihnen unmittelbar benachbarten
Wandungsteilen der Hohlleiterabschnitte 5 und 6 praktisch parallel zur Schichtebene
verläuft und somit die für die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung erforderlichen
Voraussetzungen in besonders günstiger Weise erfüllen. Das magnetische Gleichfeld
H= wird von den beiden Ringspulen 4'a und 4' b erzeugt. Die in ihrer Frequenz zu
verdoppelnde Schwingung wird .einem der Koaxialleitungsanschlüsse 7 des Hohlleiterabschnitts
5 zugeführt, die Schwingung mit der doppelten Frequenz kann an einem der Koaxialleitungsanschlüsse
8 des Hohlleiterabschnitts 6 abgenommen werden.
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Ein weiterer Frequenzverdoppler in Hohlleiterbauweise ist in der F
i g. 4 dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus zwei gegeneinander um 90° gedrehten,
in Achsrichtung hintereinander angeordneten Rechteckhohlleitern 2", 3", in deren
gemeinsamer Verbindungsebene die Schicht 1 angeordnet ist. Im Bereich der Schicht
1 sind die Stirnseiten der aneinandergrenzenden Rechteckhohlleiter 2" und 3" wiederum
durchbrochen. Das magnetische Gleichfeld H- wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel
von zwei mit Eisenkernen versehenen Spulen 4"a und 4" b erzeugt. Der Rechteckhohlleiterabschnitt
2" stellt den Eingangskreis des erfindungsgemäßen Frequenzverdopplers dar. Das für
die Frequenzverdopplung in der Schicht 1 erforderliche magnetische Wechselfeld H_
kann in einfacher und vorteilhafter Weise mittels einer im Rechteckhohlleiterabschnitt
2" angeregten Hlö Welle der Frequenz f realisiert werden. Die in diesem Falle im
Rechteckhohlleiterabschnitt 3" angeregte elektromagnetische Welle mit der doppelten
Frequenz 2 f hat wiederum Hiä Wellenform.
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Zweckmäßig wird die Grenzfrequenz des Rechteckhohlleiterabschnitts
3" durch geeignete Wahl seiner Querschnittsabmessungen höher gewählt als die Frequenz
f der im Rechteckhohlleiterabschnitt 2" angeregten Welle, so daß im ausgangsseitigen
Rechteckhohlleiterabschnitt 3" sich neben der gewünschten Welle mit der Frequenz
2 f nicht auch noch die im eingangsseitigen Rechteckhohlleiterabschnitt angeregte-
Welle infolge einer Überkopplung ausbreitet. Mitunter dürfte es auch sinnvoll sein,
im eingangsseitigen Rechteckhohlleiterabschnitt 2" Filtermittel vorzusehen, die
eine Ausbreitung von Wellen mit der Frequenz 2 f unterbinden.