DE1591427B1

DE1591427B1 - Zirkulator und verfahren zum herstellen eines zirkulators

Info

Publication number: DE1591427B1
Application number: DE19671591427
Authority: DE
Inventors: Bernard Hershenov
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1966-12-19
Filing date: 1967-12-19
Publication date: 1971-12-30
Also published as: BE708154A; NL6717230A; GB1186220A; US3456213A

Description

Die Erfindung geht aus von einem Zirkulator mit einer Mehrzahl von Übertraglingsleitungen, die sich von einer Stelle, an der sie zusammengekoppelt sind, in einer gemeinsamen Ebene radial nach außen erstrecken und jeweils einen schmalen streifen!örmigen Leiter und einen Leiter größerer Breite aufweisen, der gegenüber dem schmalen Leiter einen einzigen ebenen Masseleiter für die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle entlang der Übertragungsleitung darstellt, wobei die schmalen Leiter parallel zu den breiteren Leitern und in dichtem Abstand zu ihnen verlaufen, und mit einem vollständig aus einem dielektrischen magnetischen Isoliermaterial mit hoher Dielektrizitätskonstante und gyromagnetischen Resonanzeigenschaften bestehenden Körper, der zwischen den schmalen und breiten Leitern angeordnet ist.

Unter dem hier benutzten Ausdruck »Zirkulator« ist ein Hochfrequenz-Bauteil verstanden, durch welches eine elektromagnetische Eingangsleitung in nicht umkehrbarer Weise hindurchgeleitet wird und welches nach Art eines Drehkreuzes mit um seinen Umfang verteilten Einlassen arbeitet. Beispielsweise tritt im Falle eines Zirkulators mit drei Anschlüssen die in einem Anschluß eintretende Energie in einem zweiten Anschluß aus, während in den zweiten Anschluß eintretende Energie am dritten Anschluß austritt. Die Energie kreist dabei immer in der gleichen Richtung durch den Zirkulator.

Zirkulatoren werden heute in großem Umfang für Radarduplexer, Trennschaltungen, Schalter und für andere nicht reziproke Verbindungsbauteile für Übertragungsleitungen verwendet. Die nicht reziproke Eigenschaft eines Zirkulators ist durch ein nichtreziprokes Element bestimmt, das an der Verbindungsstelle mehrerer Übertraglingsleitungen vorgesehen ist, welche die Anschlüsse des Zirkulators bilden. Im allgemeinen besteht dieses nichtreziproke Element aus einem magnetischen Isoliermaterial, wie einem Ferrit oder einem Eisenoxyd, das an der Verbindungsstelle der Übertragungsleitungen angeordnet und durch ein senkrecht zur Zirkulationsebene gerichtetes magnetisches Feld magnetisch vorgespannt wird. Die grundlegenden Betriebsprinzipien eines Zirkulators mit nichtreziproken Elementen ist verschiedentlich in der Literatur beschrieben, beispielsweise in dem Buch »Microwave Ferrites and Ferromagnetics« von B. Lax und K.J. Button, McGraw-Hill, 1962, S. 517 bis 539 und 609 bis 630. Die relativ großen Abmessungen und das Gewicht der bisher zur Verfügung stehenden Zirkulatoren sind bei ihrer Anwendung immer problematisch gewesen. Es sind zwar zahlreiche Veibesserungen vorgeschlagen worden, aber dennoch besteht ein starkes Bedürfnis nach außerordentlich kleinen und leichten Ziikulatoren. Seit der Einführung der Mikroelektronik und dem gleichzeitigen Bedürfnis nach Hochfrequenzzirkulatoren, die sich in integrierte Schaltungen einbeziehen lassen, ist dieser Mangel noch krasser geworden.

Die Nachteile der bekannten Zirkulatoren beruhen zum Teil darauf, daß sie eine Doppelleitermasseanordnung mit zwei getrennten Isolierkörpern aufweisen, zwischen denen sich die schmalen Übertragungsleiter befinden. Der Abstand zwischen den (breiten) Masseleitern und den schmalen Übertragungsleitern wird durch gesonderte Abstandhalter am Umfang des Zirkulators hergestellt. Ein typischer Zirkulator dieser Art ist in der USA.-Patentschrift 39 oq3 24 beschrieben. In dieser Patentschrift findet sich der Hinweis, daß es auch möglich ist, einen Isolierkörper zwischen nur einem einzigen Masseleiter und den schmalen Übertragungsleitern anzuordnen. Dies hatte aber bisher den Nachteil, daß man mit unerwünschten Abstrahlungseffekten auf Grund von Diskontinuitäten der einzelnen Übertragungsleiter rechnen mußte, die eine elektromagnetische Kopplung mit anderen Schaltungskomponenten zur Folge haben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen dünnen, kompakten, leichten und mit geringem Aufwand herstellbaren Breitbandzirkulator zu schaffen, der ohne Schwierigkeiten in mikroelektrische Schaltungen, namentlich in integrierte Mikrowellenschaltungen eingebaut werden kann, und bei dem unerwünschte Abstrahlungseffekte vermieden sind.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Zikulator der eingangs angegebenen Art der Isolierkörper ein Träger für die Leiter ist, der den gesamten Bereich zwischen dem auf seine eine Oberfläche aufgebrachten breiten Masseleiter und den auf seine andere Oberfläche aufgebrachten schmalen Leitern einnimmt, und daß der Abstand und das dielektrische Material so ausgewählt ist, daß nahezu das gesamte Feld der elektromagnetischen Welle den Raum zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der schmalen und der breiten Leiter ausfüllt und eine Abstrahlung von den Übertragungsleitungen nach außen minimal gehalten wird.

Vorzugsweise bilden die Stelle, an der die Übertragungsleitungen zusammengekoppelt sind, und der benachbarte Teil des Masseleiters einen Hohlraum, der die elektromagnetische Energie auf diesen Bereich begrenzt.

Ein besonders einfaches und wirtschaftlich günstiges Verfahren zum Herstellen eines Zirkulators gemäß der Erfindung besteht darin, daß auf die eine Hauptfiäche des scheibenförmigen Trägers eine metallische leitende Schicht aufgebracht wird, wodurch der Masseleiter gebildet wird, und daß auf die entgegengesetzte Hauptfläche des Trägers eine andere metallische leitende Schicht in einem Muster aufgebracht wird, welches die schmalen Leiter und deren Kopplungsstelle bildet.

Der ebene Masseleiter wird dabei wesentlich größer als der schmale Leiter gemacht, so daß die elektromagnetischen Wellen sich etwa in der Form von TEM-Wellen zwischen ihnen ausbreiten. Der Abstand zwischen den Leitern einer Übertragungsleitung wird genügend klein und die Dielektrizitätskonstante des Abstandsmaterials genügend groß gemacht, so daß sich die elektromagnetischen Felder in der Hauptsache zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Leiter einer Leitung ausbreiten und außerhalb dieser Leitungen keine nennenswerte Abstrahlung auftritt. Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß nur ein einziges Abstandsstück oder Substrat aus dem magnetischen Isoliermaterial zwischen der Verbindungsstelle der schmalen Leiter der entsprechenden Leitungen und den größeren oder ebenen Leitern dieser Leitungen angeordnet ist. In der Praxis können die größeren oder ebenen Leiter der entsprechenden Leitungen als ein zusammenhängendes einziges ebenes Lederstück oder als Grundfläche für den Zirkulator ausgebildet sein. Das einzige Abstandsstück oder der Tiäger magnetischen Isoliermaterials dient der Kopplung der Energie der elektromagnetischen Wellen in nichtreziproker Weise nur zu einer anderen der

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leitungen, wenn das Magnetmaterial durch ein Bei den bisher üblichen, streifenförmige Über-

nagnetisches Feld geeignet vorgespannt wird, welches tragungsleitungen verwendenden Zirkulatoren ist eine

iarallel zu dem elektrischen Feld der als TEM-Wellen Mehrzahl schmaler Mittelleiter vorgesehen, die sich

;ich längs einer der Leitungen ausbreitenden elektro- radial von einem gemeinsamen Punkt und einer Grundnagnetischen Wellen verläuft. Der so aufgebaute mit 5 fläche auf jeder Seite des Mittelleiters erstrecken, so

;iner einzigen Grundplatte versehene Breitband- daß die Diskontinuitäten der Zirkulator-Streifen-

drkulator ist klein, leicht und einfach herzustellen Übertragungsleitungen geometrisch gegenüber den

jnd eignet sich besonders gut für die Verwendung bei oberen und unteren Leitungsabschnitten abgeglichen

integrierten oder anderen mikroelektronischen Schal- sind, so daß Abstrahlungen unterdrückt werden. Diese tungen. Es zeigt io bekannten Zirkulatoren verwenden Scheiben eines

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine streifenförmige magnetischen Isoliermaterials, das innerhalb einer

Übertragungsleitung, Mehrzahl dielektrischer Träger montiert ist und damit

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Zirkulator einen schwierig herzustellenden Aufbau darstellt,

gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und Bei dem erfindungsgemäßen Zirkulator ist dagegen F i g. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der 15 der Abstand zwischen den schmalen Streifenleitern 25,

F i g. 2. 26 und 27, der Scheibe 29 und dem einzigen ebenen

In F i g. 1 ist eine streifenförmige Übertragungs- Leiter 33 so klein (kleiner als die halbe Wellenlänge

leitung dargestellt, auf welcher sich elektromagnetische einer sich im dielektrischen Medium ausbreitenden

Wellen etwa als TEM-Wellen ausbreiten und die einen TEM-Welle), daß außerhalb der Leitungen nur sehr

schmalen Leiter 10 und einen einzigen ebenen Grund- 20 wenig Strahlung auftritt. Dadurch, daß dieser Abstand

plattenleiter 11 aufweist, zwischen denen sich eine so schmal gemacht wird und ein Material relativ

Schicht 13 aus dielektrischem Material befindet. Das großer Dielektrizitätskonstante für den einzigen

leitende Material, welches die Leiter 10 und 11 bildet, Träger 30 (Dielektrizitätskonstante beispielsweise 9,4)

kann in Foim dünner Schichten auf das dielektrische zwischen den Leitern 25, 26, 27, der Scheibe 29 und

Material 13 aufgebracht sein. Das leitende Material 25 dem Leiter 33 verwendet wird, werden die elektro-

kann auf bestimmten Oberflächenteilen des Dielek- magnetischen Felder auch im wesentlichen zwischen

trikums 13 nach bei gedruckten Schaltungen bekannten den einander gegenüberliegenden Oberflächen (zwi-

Verfahren chemisch abgelagert oder durch eine sehen der Scheibe 29 und der gegenüberliegenden

Schablone aufgesprüht oder aufgestäubt werden. Der Oberfläche des Leiters 33 und zwischen den schmalen

Masseleiter 11 soll vorzugsweise zwei bis dreimal so 30 Leitern 25, 26 und 27 und der gegenüberliegenden

breit wie der schmale Leiter 10 sein, obwohl eine Fläche des Leiters 33) geführt. Die Möglichkeit einer

größere Breite noch niedrigere Verluste ergibt. Die Abstrahlung in Folge von Diskontinuitäten ist dabei

Dicke der Übertragungsleitung und die Dielektrizi- stark verringert. Infolge der relativ hohen Dielektri-

tätskonstante sollen so gewählt sein, daß eine Ab- zitätskonstante kann ferner die Gesamtgröße des

strahlung von der Leitung nicht auftritt. 35 Zirkulator 20 klein gehalten werden. Da die offenen

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen stern- Seiten des Zirkulators sehr dünn sind, sind die An-

förmigen Zirkulator 20 mit drei Anschlüssen gemäß passungsverhältnisse an den freien Raum an den

einer Ausführungsform der Erfindung unter Ver- offenen Seiten sehr schlecht.

Wendung der an Hand von F i g. 1 dargestellten Form Zur Vervollständigung der Konstruktion eines

der Übertragungsleitung. Der Zirkulator 20 enthält 40 nichtreziproken Verbindungszirkulators, wie ihn

an einem ersten Anschluß 21, einem zweiten Anschluß F i g. 1 darstellt, wird ein magnetischer Isolator und

22 und einem dritten Anschluß 23 einen Koaxial- ein magnetisches Feld benötigt, das parallel zur

koppler. Schmale Leiter 25, 26 und 27, die den an Richtung des elektrischen Feldes einer innerhalb der

Hand von F i g. 1 beschriebenen Leitern 10 gleichen, Leitungen sich ausbreitenden TEM-Welle verläuft,

erstrecken sich radial von einem gemeinsamen Punkt 45 Das magnetische Isoliermaterial kann beispielsweise

nach außen, an welchem eine dünne Kupferscheibe 29 Eisen und Aluminiumoxyd, Ferrit oder anderes

angeordnet ist. Die schmalen Leiter 25, 26 und 27 Magnetmaterial sein. Die Stärke des magnetischen

sind an die entsprechenden Mittelleiter der Koaxial- Gleichfeldes und seine Richtung sind so gewählt, daß

koppler an den Anschlüssen 21,22 und 23 angekoppelt die Zirkulation der elektromagnetischen Energie in

und ragen unter einen Winkel von jeweils 120° von 5° der für den interessierenden Frequenzbereich gewünsch-

der Scheibe 29 nach außen und bilden auf diese Weise ten Richtung vonstatten geht.

einen symmetrischen sternförmigen Zirkulator mit F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch den erfindrei Anschlüssen. Die Leiter 25, 26 und 27 können dungsgemäßen sehr einfachen, relativ preiswerten und dünne Kupferstreifen sein und sind an der Oberseite leicht herzustellenden Breitbandzirkulator. Die Figur eines einzigen Abstandsstückes oder Trägers 30 aus 55 läßt die schmalen Leiter 26 und 27 erkennen, die auf der magnetischem Isoliermaterial befestigt. Die Kupfer- Oberseite eines einzigen flachen magnetischen Isoscheibe 29, mit der die schmalen Leiter 25, 26 und 27 lationsmaterials 30, ein Ferrit oder Granat, befestigt verbunden sind, ist zentriert und ebenfalls auf der sind. Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform gleichen Oberfläche des Trägers 30 befestigt. Eine sind die Leiter auf den Garnetträger 30 aufgedampft, dünne Kupfergrundplatte 33, die nur in F i g. 3 zu 60 Die schmalen Leiter sind mit einer leitenden Scheibe 29 sehen ist, ist an der Unterseite des magnetischen verbunden, die auf der gleichen Oberfläche des Isoliermaterialträgers 30, also auf der den schmalen Trägers 30 aufgedampft und zentriert ist, ebenso wie Leitern 25, 26 und 27 gegenüberliegenden Seite die schmalen Leitungen 25, 26 und 27. Auf der befestigt. Zur Ausbildung von Leitern auf dem gegenüberliegenden Unterseite des Magnetmaterials 30 Träger zur Erzeugung der schmalen Leiter, der 65 ist ein Grundplattenleiter 33 aufgedampft. Auf diese Scheibe und des Grundplattenleiters lassen sich Weise befindet sich ein einziges flaches Stück magnetizahlreiche Techniken anwenden, beispielsweise können sehen Isoliermaterials zwischen den leitenden Materiadiese Leiter aufgeklebt oder aufgedampft werden. lien und hält diese im Abstand, so daß ein einfacher

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leicht herzustellender und relativ preiswerter Breitbandzirkulator gebildet wird, der sich leicht bei Mikroschaltungen verwenden läßt. Bei dieser Ausführungsform ist die Kupferscheibe 29 so angeordnet, daß ein zugeführtes elektromagnetisches Hochfrequenzfeld im Bereich der Kupferscheibe 29 lokalisiert wird. Dieser schmale Bereich wirkt wie ein Hohlraum, der die elektromagnetische Energie der TEM-WeIIe auf die Umgebung der Kupferscheibe 29 und das dielektrische Medium 30 begrenzt.

Beim Betrieb der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform werden Koaxialkabel an die Anschlüsse 21, 22 und 23 angekoppelt. Der einzige flache magnetische Isoliermaterialträger 30 wird durch ein äußeres magnetisches Feld in Richtung des Pfeiles 41 in dem schmalen Bereich der Kupferscheibe 29 und der Grundplatte 33 von einer für Resonanzerscheinungen nicht ausreichenden Stärke vorgespannt wird. Dabei tritt die nichtreziproke Wirkung ein, infolge deren am Anschluß 21 zugeführte elektrische Energie am Anschluß 22 austritt. Am Anschluß 22 zugeführte Energie einer TEM-Welle tritt nur am Anschluß 23 aus usw. Die Zirkulationsrichtung kann durch Umkehr der Richtung des magnetischen Feldes umgedreht werden. Für eine Signalfrequenz von 7,9 bis 9,05 GHz ist eine Trennung von mehr als 20 dB bei einer Übertragungsdämpfung von weniger als 0,5 dB über die gesamte Bandbreite unter den folgenden Betriebsbedingungen und Konstruktionsmaßen erzielt worden:

Magnetischer Isoliermaterialträger 30 0,58 mm Granat

Schmale Leiter 25, 26, 27 Kupfer von 3,16 mm

Länge und 0,625 mm Breite

Scheibe 29 Kupfer von 5,8 mm

Durchmesser

Magnet 39 Durchmesser 7,5 mm,

Länge 3,75 mm,
Material Index 6

Im Abstand von 0,125 mm vom Träger 30 war ein Permanentmagnet angeordnet, welcher auf der Oberseite der Magnetfläche ein magnetisches Gleichfeld von etwa 1500 Oersted erzeugte. Die Leiter 25, 26, 27, 29 und 33 wurden in Form einer 0,0125 mm starken Kupferschicht auf dem Träger 30 aufgedampft.

Der Permanentmagnet kann für die magnetische Vorspannung des Materials oberhalb oder unterhalb des Trägers 30 placiert werden. Nach der Erfindung kann dieses Magnetfeld auf irgendeine der bekannten Arten, etwa durch eine Magnetspule, aufgebracht werden. Beispielsweise kann als Alternative zu einem Permanentmagnet ein Draht (Spule) der eine Schleife bildet, in den Träger 30 zwischen die Scheibe 29 und die Grundplatte 33 eingebettet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Zirkulator mit einer Mehrzahl von Übertragungsleitungen, die sich von einer Stelle, an der sie zusammengekoppelt sind, .in einer gemein-

60 samen Ebene radial nach außen erstrecken und jeweils einen schmalen streifenförmigen Leiter und einen Leiter größerer Breite aufweisen, der gegenüber dem schmalen Leiter einen einzigen ebenen Masseleiter für die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle entlang der Übertragungsleitung darstellt, wobei die schmalen Leiter parallel zu den breiteren Leitern und in dichtem Abstand zu ihnen verlaufen, und mit einem vollständig aus einem dielektrischen magnetischen Isoliermaterial mit hoher Dielektrizitätskonstante und gyromagnetischen Resonanzeigenschaften bestehenden Körper, der zwischen den schmalen und breiten Leitern angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (30) ein Träger für die Leiter ist, der den gesamten Bereich zwischen dem auf seine eine Oberfläche aufgebrachten breiten Masseleiter (33) und den auf seine andere Oberfläche aufgebrachten schmalen Leitern einnimmt, und daß der Abstand und das dielektrische Material so ausgewählt ist, daß nahezu das gesamte Feld der elektromagnetischen Welle den Raum zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der schmalen und der breiten Leiter (25,26,27 bzw. 33) ausfüllt und eine Abstrahlung von den Übertragungsleitungen nach außen minimal gehalten wird.

2. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (30) ein einziges flaches Ferritstück ist.

3. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (30) ein einziges flaches Stück Granat ist.

4. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Seite des Trägers (30) eine dünne Scheibe (29) aus leitendem Material aufgebracht ist und daß die schmalen streifenförmigen Leiter (25, 26, 27) auf der gleichen Seite des Trägers wie die Scheibe (29) aufgebracht und an dieser befestigt sind, daß die Dicke des dielektrischen Trägers (30), die Größe der leitenden Scheibe (29) und die Dielektrizitätskonstante des Trägermaterials so gewählt sind, daß die elektromagnetische Energie im Bereich der leitenden Scheibe (29) lokalisiert wird.

5. Zirkulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen streifenförmigen Leiter (25, 26, 27) strahlenförmig symmetrisch vom Umfang der Scheibe (29) nach außen ragen.

6. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle (29), an der die Übertragungsleitungen zusammengekoppelt sind, und der benachbarte Teil des Masseleiters (33) einen Hohlraum bilden, der die elektromagnetische Energie auf diesen Bereich begrenzt.

7. Verfahren zum Herstellen eines Zirkulators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die eine Hauptfläche des scheibenförmigen Trägers eine metallische leitende Schicht aufgebracht wird, wodurch der Masseleiter gebildet wird, und daß auf die entgegengesetzte Hauptfläche des Trägers eine andere metallische leitende Schicht in einem Muster aufgebracht wird, welches die schmalen Leiter und deren Kopplungsstelle bildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen