DE1466598C

DE1466598C - Non-reciprocal electromagnetic waveguide

Info

Publication number: DE1466598C
Authority: DE
Inventors: William J Glen Burme Parris Md (V St A )
Original assignee: Westmghouse Electric Corp , East Pittsburgh, Pa (V St A )
Publication date: 1971-02-18

Description

1 .21 .2

Die Erfindung geht aus von einem nicht-reziproken recht zu dem Hohlleiter und dem axialen Drahtelektromagnetischen Hohlleiter zur Erzeugung einer abschnitt ankommende elektromagnetische Welle zu stufenweise veränderbaren Phasenverschiebung der dem einen oder dem anderen Hohlleiterende durchsich in dem Hohlleiter fortpflanzenden elektromagne- gelassen. Da diese Anordnung einen ganz anderen tischen Energie, bestehend aus mehreren hinterein- 5 Zweck und auch einen anderen Aufbau als der Phaander in einem Hohlleiterabschnitt angeordneten Fer- senschieber hat, von dem die Erfindung ausgeht, war ritelementen verschiedener Länge, die selektiv elek- es auch nicht naheliegend, die Ferritelemente des betromagnetisch umgesteuert werden können. kannten Phasenschiebers in Anlehnung an den er-The invention is based on a non-reciprocal right to the waveguide and the axial wire electromagnetic Waveguide to generate a section of incoming electromagnetic wave stepwise variable phase shift of one or the other waveguide end through in the waveguide propagating electromagnetic left. Because this arrangement is a completely different one table energy, consisting of several consecutive purposes and also a different structure than the phaander heel slide arranged in a waveguide section, from which the invention is based, was rite elements of various lengths, the selective elec- trical also not obvious, the ferrite elements of the betromagnetic can be redirected. known phase shifter based on the

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art sind die wähnten Höchstfrequenzschalter umzubilden,
einzelnen stabförmigen Ferritelemente getrennt mit io Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin-Erregungswicklungen versehen, die eine in Längs- dung sind die Ferritelemente durch unmagnetische richtung des Hohlleiters verlaufende Magnetisierung dielektrische Zwischenstücke getrennt, die etwa die erzeugen. Die Magnetisierung eines solchen stab- gleiche Dielektrizitätskonstante wie die Ferritelemente förmigen Magneten ist bekanntlich verhältnismäßig aufweisen und deren Länge etwa gleich der halben schwach. Außerdem haben die Wicklungen eine er- 15 Betriebswellenlänge des Hohlleiterabschnitts ist. Die hebliche Selbstinduktion, weshalb die Umschaltung Anschlußdrähte sind durch diese Zwischenstücke von einem Wert der Phasenverschiebung auf einen durchgeführt und innerhalb derselben mit dem axiaanderen Wert verhältnismäßig langsam vor sich geht. Jen Leiter verbunden. Dadurch wird eine Störungs-Aufgabe der Erfindung ist es, den bekannten nicht- freie Fortpflanzung der Welle im Hohlleiterabschnitt reziproken elektromagnetischen Hohlleiter derart zu 20 und eine einfache und zuverlässige Montage ermögverbessern, daß eine rasch ablaufende digitale Steue- licht.In a known arrangement of this type, the mentioned high-frequency switches are to be redesigned,
individual rod-shaped ferrite elements separated with io. According to an advantageous embodiment of the invention excitation windings, the one in the longitudinal direction, the ferrite elements are separated by the non-magnetic direction of the waveguide magnetization dielectric spacers that generate about the. The magnetization of such a rod-like dielectric constant as the ferrite element-shaped magnets is known to have a proportionate length and its length is about half that weak. In addition, the windings have an operating wavelength of the waveguide section. The considerable self-induction, which is why the switching connection wires are carried out through these intermediate pieces from one value of the phase shift to one, and within the same with the axiaother value takes place relatively slowly. Jen Head connected. As a result, a disruption object of the invention is to improve the known non-free propagation of the wave in the waveguide section reciprocal electromagnetic waveguide and to enable simple and reliable assembly that a rapidly running digital control light.

rung der Phasenverschiebungen mit geringem Ener- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachgieaufwand ermöglicht wird. stehend an Hand der einzigen Figur der Zeichnung Zur Lösung dieser Aufgabe ist der eingangs ge- beschrieben. Diese zeigt einen· Hohlleiterabschnitt geschilderte nicht-reziproke elektromagnetische Hohl- 25 maß der Erfindung in isometrischer Darstellung,
leiter erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß Der dargestellte rechteckige Hohlleiter hat solche alle Ferritelemente eine axiale Bohrung aufweisen, Abmessungen, daß er eine Mikrowelle der gewünschdie von einem gemeinsamen, axial zu dem Hohlleiter- ten Frequenz im TE₁₀-Modus durchläßt. In der Mitte abschnitt verlaufenden Leiter durchsetzt wird, und des Hohlleiters befindet sich das zur Phasendrehung daß Anschlußdrähte zur Beaufschlagung der einzel- 30 bzw. Dämpfung dienende gyromagnetische Element, nen Ferritelemente mit Stromimpulsen zwecks rema- das aus einzelnen Elementen bestimmter Länge zunenter Magnetisierung derselben rechtwinklig von sammengesetzt ist, die getrennt oder gemeinsam redem axialen Leiter nach außen führen sowie daß die versibel in den Sättigungszustand gebracht werden Ferritelemente eine rechteckige Magnetisierungskurve können.tion of the phase shifts with little energy. standing on the basis of the single figure of the drawing. To solve this problem, the is described at the beginning. This shows a waveguide section described non-reciprocal electromagnetic hollow measure of the invention in isometric representation,
Conductor according to the invention characterized in that the illustrated rectangular waveguide has such ferrite elements all have an axial bore, dimensions that it transmits a microwave of the desired frequency from a common, axially to the waveguide th frequency in TE ₁₀ mode. In the middle section running conductor is penetrated, and the waveguide is located for phase rotation that connecting wires to act on the individual or attenuation serving gyromagnetic element, ferrite elements with current pulses for the purpose of remaing the individual elements of a certain length increasing magnetization of the same at right angles is composed, which lead separately or together redem axial conductor to the outside and that the versible ferrite elements are brought into the saturation state can have a rectangular magnetization curve.

aufweisen. 35 Hierzu ist in einem rechteckigen Hohlleiter 10 ein Der gemeinsame zentrale Leiter erzeugt eine Ma- gyromagnetisches Element 11 untergebracht. Der gnetisierung in geschlossenen Bahnen senkrecht zur Hohlleiter 10 besitzt obere und untere Breitseiten 12 Hohlleiterachse; bei vergleichbarer Amperewindungs- und 13, deren Breite etwa gleich der halben Wellenzahl ist also die Magnetisierung wesentlich kräftiger länge der zu übertragenden Welle ist, und Schmalals in der bekannten Anordnung. Vor allem aber hat 40 Seiten 14 und 16, die etwa halb so breit wie die Breitder geradlinige Leiter eine weit geringere Selbst- sehen 12 und 13 sind. Ein Hohlleiter mit solchen Abinduktion als die einzelnen Wicklungen der bekann- messungen ist bekanntlich besonders vorteilhaft für ten Anordnung. Auch die Anschlußdrähte für die die Fortpflanzung von TE₁₀-Wellen, deren elektrieinzelnen Ferritelemente führen rechtwinklig von scher Vektor senkrecht zu den Breitseiten 12 und 13 dem axialen Leiter nach außen. Dank dieser Anord- 45 verläuft, während das Magnetfeld in zu den Breitnung ist eine außerordentlich rasche Umschaltung seiten parallelen Ebenen umläuft. Dieser Umstand von einem Phasenverschiebungswert auf einen ande- ist für die erfindungsgemäß angewandte Magnetisieren möglich. Ferner kann durch Ausnutzung der rungsrichtung vorteilhaft.exhibit. For this purpose, a magnetically The common central conductor produces a magyromagnetic element 11 is housed in a rectangular waveguide 10. The gnetisierung in closed paths perpendicular to the waveguide 10 has upper and lower broad sides 12 waveguide axis; with a comparable ampere turn and 13, the width of which is approximately equal to half the wave number, so the magnetization is much more powerful length of the wave to be transmitted, and narrow necks in the known arrangement. But above all it has 40 sides 14 and 16, which are about half as wide as the width of the straight ladder a far smaller self-image 12 and 13. A waveguide with such abinduction as the individual windings of the known measurements is known to be particularly advantageous for the arrangement. The connecting wires for the propagation of TE ₁₀ waves, their individual electrical ferrite elements, lead at right angles from the shear vector perpendicular to the broad sides 12 and 13 of the axial conductor to the outside. Thanks to this arrangement 45 runs, while the magnetic field in to the Breitnung is an extraordinarily rapid switch-over on the sides parallel planes. This circumstance from one phase shift value to another is possible for the magnetization used according to the invention. Furthermore, it can be advantageous by utilizing the direction of travel.

rechteckigen Magnetisierungsschleife auf ständige Das gyromagnetische Element 11 besteht aus ein-Aufrechterhaltung eines magnetisierenden äußeren 50 zelnen Ferritabschnitten 11-1,11-2,11-3,11-4 und Feldes verzichtet werden. Es genügt, einmal durch 11-5. Die axiale Länge dieser Ferritabschnitte ist voreinen kurzen Stromstoß die Sättigung der betreffen-' . zugsweise so gewählt, daß sie nach Magnetisierung den Ferritelemente in bestimmter Richtung zu er- folgende Phasendrehungen hervorrufen: Der Abzwingen, woraufhin auch nach dem Abschalten des schnitt 11-1 ergibt eine Phasendrehung um 5,625 Magnetisierungsstromes die remanente Magnetisie- 55 Grad, der Abschnitt 11-2 eine Phasendrehung um rung nahezu in Höhe der Sättigung bestehenbleibt. 11,25 Grad, der Abschnitt 11-3 eine Phasendrehung Es ist ein Schalter für Höchstfrequenzwellen be- um 22,50 Grad, der Abschnitt 11-4 eine Phasendrekannt, der einen Hohlleiterabschnitt aufweist, worin hung um 45,00 Grad und der Abschnitt 11-5 eine ein Ferritelement mit rechteckiger Magnetisierungs- Phasendrehung um 90,00 Grad,
schleife parallel zu den Breitseiten des Hohlleiter- 60 Zur selektiven Magnetisierung der einzelnen Ferritabschnitts angeordnet ist. Das Ferritelement wird von abschnitte dient ein zentraler längsverlaufender Leieinem axial verlaufenden elektrischen Leiter durch- ter 15, dessen einzelne die Ferrite durchsetzende Teile setzt, der über durch die Hohlleiterwand durch- selektiv mittels der Anzapfungen 17,18,19,21 und geführte Drähte mit einer Impulsquelle in Verbin- 23 erregt werden können. Die Anzapfungen sind mit dung steht, so daß durch kurzzeitige Erregung eine G5 Impulsquellen verbunden, die symbolisch durch die remanente Magnetisierung des Ferritelements in um Batterien 24 bis 26 dargestellt sind. Da die gyroden Leiter geschlossenen Bahnen erzielt werden kann. magnetischen Abschnitte des Elements 11 nur zwei Je nach der Magnetisierungsrichtung wird eine senk- magnetische Zustände annehmen können, ist dierectangular magnetization loop on permanent The gyromagnetic element 11 consists of one-maintaining a magnetizing outer 50 individual ferrite sections 11-1,11-2,11-3,11-4 and omitted field. Suffice it to go through 11-5 once. The axial length of these ferrite sections is before a brief surge of current saturates the subject- '. preferably chosen so that after magnetization they cause the ferrite elements to be rotated in a certain direction in a certain direction: The forcing, whereupon even after switching off the section 11-1 , a phase rotation of 5.625 magnetization current results in the remanent magnetization 55 degrees, the section 11- 2 a phase rotation by approximately the level of saturation remains. 11.25 degrees, the section 11-3 one phase rotation. It is a switch for ultra-high frequency waves by 22.50 degrees, the section 11-4 one phase rotation, which has a waveguide section, wherein hung by 45.00 degrees and the section 11 -5 a ferrite element with rectangular magnetization phase rotation by 90.00 degrees,
loop parallel to the broad sides of the waveguide 60 is arranged for selective magnetization of the individual ferrite sections. The ferrite element is made up of sections, a central longitudinal line through an axially extending electrical conductor 15, the individual parts of which penetrate the ferrites, which pass through the waveguide wall selectively by means of the taps 17, 18, 19, 21 and guided wires with a Pulse source in connection 23 can be excited. The taps are connected to the connection so that a G5 pulse source is connected by brief excitation, which are symbolically represented by the remanent magnetization of the ferrite element in batteries 24 to 26. Because the gyroden ladder closed paths can be achieved. magnetic sections of the element 11 only two. Depending on the direction of magnetization, one will be able to assume perpendicular magnetic states,

I 466 598I 466 598

Form der Magnetisierungsimpulse gleichgültig, solange ihre Amplitude ausreicht, um das Umklappen der Magnetisierung von einem Sättigungszustand in den anderen in der gewählten Polarität zu bewirken. Die Batterien mit-zugehörigen Schaltmitteln können zur unabhängigen oder gemeinsamen · Erregung der einzelnen Abschnitte des Leiters 15 in der bei Digitalrechnern bekannten Weise dienen. Ein solcher Digitalrechner wäre das elektrische Gegenstück der Batterien 24 bis 26 mit den Umschaltern 27,28,29,31 und 33. Die erste Batterie 24 speist den Stromkreis über den Umschalter 27 und die Anzapfungen 17 und 18, sowie den Abschnitt des Mittelleiters 15, der axial durch den Ferritabschnitt 11-1 hindurchgeht. Batterie 25 liegt im Stromkreis des Umschalters 28, der Anzapfungen 18 und 19 und desjenigen Abschnitts des Leiters 15, der den Ferritabschnitt 11-2 durchsetzt. Ferner dient die Batterie 25 zur Speisung eines Stromkreises, der den Umschalter 29, die Anzapfungen 19 und 21 und denjenigen Abschnitt des Leiters 15 umfaßt, der den Ferritabschnitt 11-3 durchsetzt. Ebenso ist die Anzapfung 21 auch für den Stromkreis da, der zur Erregung des Abschnitts 11-3 dient. Der Ferritabschnitt 11-4 wird von der Batterie 26 über den Umschalter 31 sowie die Anzapfungen 21 und 22 erregt, während der Ferritabschnitt 11-5 von der gleichen Batterie 26 über Umschalter 33, Anzapfungen 22 und 23 erregt wird. So lassen sich sämtliche Phasendrehungen zwischen 0 und nahezu 180° in Stufen von 5,625 Grad einstellen. Selbstverständlich würde das Schaltnetzwerk eines Elektronenrechners die gleiche Einstellung auf rein elektronischem Wege ermöglichen. Auch können natürlich andere Abstufungen gewählt werden.The shape of the magnetization pulses is indifferent as long as their amplitude is sufficient to cause the magnetization to flip from one state of saturation to the other in the selected polarity. The batteries with associated switching means can serve for the independent or common excitation of the individual sections of the conductor 15 in the manner known from digital computers. Such a digital computer would be the electrical counterpart of the batteries 24 to 26 with the switches 27, 28, 29, 31 and 33. The first battery 24 feeds the circuit via the switch 27 and the taps 17 and 18, as well as the section of the center conductor 15, which axially passes through the ferrite portion 11-1 . Battery 25 is in the circuit of the changeover switch 28, the taps 18 and 19 and that section of the conductor 15 which penetrates the ferrite section 11-2 . The battery 25 also serves to feed a circuit which comprises the changeover switch 29, the taps 19 and 21 and that section of the conductor 15 which passes through the ferrite section 11-3. The tap 21 is also there for the circuit which is used to excite the section 11-3 . The ferrite section 11-4 is excited by the battery 26 via the changeover switch 31 and the taps 21 and 22, while the ferrite section 11-5 is excited by the same battery 26 via changeover switches 33, taps 22 and 23. All phase rotations between 0 and almost 180 ° can be set in steps of 5.625 degrees. Of course, the switching network of an electronic computer would enable the same setting in a purely electronic way. Of course, other gradations can also be selected.

Wird ein Stromstoß durch einen Abschnitt des zentralen Leiters 15 geschickt, so bewirkt der Strom in den zugeordneten Abschnitten des gyromagnetischen Elements 11 eine Magnetisierung in geschlossenen Bahnen in zur Achse des Hohlleiters parallelen Ebenen, deren Umlaufsinn von der Stromrichtung abhängt. Dies ist durch den Doppelpfeil 40 ausgedrückt. Hat der Strom im Leiter 15 eine ausreichende Stärke, so werden die betreffenden Ferritabschnitte 11 magnetisch gesättigt, während bei Zuführung eines Stroms entgegengesetzter Richtung der umgekehrte Sättigungszustand herbeigeführt wird. Wird die Erregung abgeschaltet, so bleiben die Ferrite im remanenten Magnetisierungszustand.When a surge of current is sent through a portion of the central conductor 15, the current causes in the associated sections of the gyromagnetic element 11 a magnetization in closed Trajectories in planes parallel to the axis of the waveguide, the direction of rotation of which depends on the direction of the current. This is expressed by the double arrow 40. If the current in conductor 15 is of sufficient strength, so the relevant ferrite sections 11 are magnetically saturated, while supplying a Current in the opposite direction brings about the reverse saturation state. Will the excitement switched off, the ferrites remain in the remanent magnetization state.

Damit die Anzapfungen 17 bis 23 keinen Magnetfluß in geschlossenen Bahnen in den Ferritabschnitten in zur Hohlleiterachse parallelen Ebenen hervorrufen können, sind zwischen den einzelnen Ferritabschnitten unmagnetische dielektrische Zwischenstücke 11-6,11-7,11-8,11-9 und 11-10 vorgesehen. Die Anzapfungen sind mit dem Mittelleiter 15 etwa in der Mitte der einzelnen Zwischenstücke verbunden. Um Impedanz-Fehlanpassungen für den Fall möglichst klein zu halten, daß die Zwischenstücke nicht die gleichen dielektrischen Eigenschaften wie die Ferritabschnitte haben, wählt man für die Zwischenstücke vorzugsweise eine Länge, die gleich der halben Betriebswellenlänge ist.So that the taps 17 to 23 cannot cause magnetic flux in closed paths in the ferrite sections in planes parallel to the waveguide axis, non-magnetic dielectric spacers 11-6, 11-7, 11-8, 11-9 and 11-10 are provided between the individual ferrite sections . The taps are connected to the central conductor 15 approximately in the middle of the individual intermediate pieces. In order to keep impedance mismatches as small as possible in the event that the intermediate pieces do not have the same dielectric properties as the ferrite sections, a length is preferably chosen for the intermediate pieces which is equal to half the operating wavelength.

ίο Die erfindungsgemäße Anordnung hat unter anderem den Vorteil, daß genau vorgeschriebene Werte der Phasendrehung oder Dämpfung stufenweise erreicht werden können, ohne daß der Magnetisierungsstrom hinsichtlich Amplitude und Dauer genau fest- gelegt werden muß. Dies rührt davon her, daß wegen des Betriebs der gyromagnetischen Abschnitte im Sättigungszustand der Einfluß von Amplitudenänderungen des Schaltstroms ausgeschaltet wird, so daß die Phasendrehung allein von den Abmessungen des Ferritelements abhängt, die genau und unveränderlich festgelegt werden können.ίο The arrangement according to the invention has, among other things the advantage that precisely prescribed values of the phase rotation or attenuation are achieved in stages without the magnetizing current being precisely fixed in terms of amplitude and duration. must be laid. This is due to the fact that because of the operation of the gyromagnetic sections in the Saturation state, the influence of changes in the amplitude of the switching current is switched off, so that the phase rotation depends solely on the dimensions of the ferrite element, which is accurate and invariable can be set.

Claims

Patent claims:

1. Non-reciprocal electromagnetic hollow conductor for generating a step-wise variable phase shift of the electromagnetic energy propagating in the hollow conductor, consisting of several ferrite elements of different lengths arranged one behind the other in a hollow conductor section, which can be selectively reversed electromagnetically, characterized in that all ferrite elements (11 -1 to 11-5) have an axial bore that is led by a common conductor (15) extending axially to the waveguide section. is penetrated, and that connecting wires (17 to 19, 21 to 23) for the application of the individual ferrite elements with current pulses for the purpose of remanent magnetization of the same lead at right angles from the axial conductor to the outside and that the ferrite elements have a rectangular magnetization curve.

2. Waveguide according to claim 1, characterized in that the ferrite elements are separated by non-magnetic dielectric spacers (11-6 to 11-10) which have approximately the same dielectric constant as the ferrite elements and whose length is approximately equal to half the operating wavelength of the waveguide section , and that the connecting wires (17 to 19, 21 to 23) are passed through the intermediate pieces and are connected to the axial conductor (15) within the same.

1 sheet of drawings