DE1591427C - Zirkulator und Verfahren zum Herste! len eines Zirkulators - Google Patents

Description

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Die Erfindung geht aus von einem Zirkulator mit sich der Hinweis, daß es auch möglich ist, einen

einer Mehrzahl von Übertragungsleitungen, die sich Isolierkörper zwischen nur einem einzigen Masse-

von einer Stelle, an der sie zusammengekoppelt sind, leiter und den schmalen Übertragungsleitern anzu-

in einer gemeinsamen Ebene radial nach außen ordnen. Dies hatte aber bisher den Nachteil, daß man

erstrecken und jeweils einen schmalen streifenförmigen 5 mit unerwünschten Abstrahlungseffekten auf Grund

Leiter und einen Leiter größerer Breite aufweisen, von Diskontinuitäten der einzelnen Übertragungs-

der gegenüber dem schmalen Leiter einen einzigen leiter rechnen mußte, die eine elektromagnetische

ebenen Masseleiter für die Ausbreitung einer elektio- Kopplung mit anderen Schaltungskomponenten zur

magnetischen Welle entlang der Übertragungsleitung Folge haben.

darstellt, wobei die schmalen Leiter parallel zu den io Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen breiteren Leitern und in dichtem Abstand zu ihnen dünnen, kompakten, leichten und mit geringem Aufverlaufen, und mit einem vollständig aus einem wand herstellbaren Breitbandzirkulator zu schaffen, dielektrischen magnetischen Isoliermaterial mit hoher der ohne Schwierigkeiten in mikroelektrische Schal-Dielektrizitätskonstante und gyromagnetische!! Reso- tungen, namentlich in integrierte Mikrowellenschalnanzeigenschaften bestehenden Körper, der zwischen 15 tungen eingebaut werden kann, und bei dem iinden schmalen und breiten Leitern angeordnet ist. erwünschte Abstrahlungseffekte vermieden sind.

Unter dem hier benutzten Ausdruck »Zirkulator« Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Zikuist ein Hochfrequenz-Bauteil verstanden, durch welches lator der eingangs angegebenen Art der Isolierkörper eine elektromagnetische Eingangsleitimg in nicht ein Träger für die Leiter ist, der den gesamten Bereich umkehrbarer Weise hindurchgeleitet wird und welches 20 zwischen dem auf seine eine Oberfläche aufgebrachten nach Art eines Drehkreuzes mit um seinen Umfang breiten Masseleiter und den auf seine andere Oberverteilten Einlassen arbeitet. Beispielsweise tritt im fläche aufgebrachten schmalen Leitern einnimmt, und Falle eines Zirkulators mit drei Anschlüssen die in daß der Abstand und das dielektrische Material so einem Anschluß eintretende Energie in einem zweiten ausgewählt ist, daß nahezu das gesamte Feld der Anschluß aus, während in den zweiten Anschluß 25 elektromagnetischen Welle den Raum zwischen eineintretende Energie am dritten Anschluß austritt. ander gegenüberliegenden Oberflächen der schmalen Die Energie kreist dabei immer in der gleichen Rieh- und der breiten Leiter ausfüllt und eine Abstrahlung tung durch den Zirkulator. von den Übertragimgsleitungen nach außen minimal

Zirkulatoren werden heute in großem Umfang für gehalten wird.

Radarduplexer, Trennschaltungen, Schalter und für 30 Vorzugsweise bilden die Stelle, an der die Überandere nicht reziproke Verbindiingsbauteile für Über- tragungsleitiingen zusammengekoppelt sind, und der tragungsleitiingen verwendet. Die nicht reziproke benachbarte Teil des Masseleiters einen Hohlraum, Eigenschaft eines Zirkulators ist durch ein nicht- der die elektromagnetische Energie auf diesen Bereich reziprokes Element bestimmt, das an der Verbindungs- begrenzt.

stelle mehrerer Übertragungsleitungen vorgesehen 35 Ein besonders einfaches und wirtschaftlich günstiges ist, weiche die Anschlüsse des Zirkulators bilden. Verfahren zum Herstellen eines Zirkulators gemäß Im allgemeinen besteht dieses nichtreziproke Element der Erfindung besteht darin, daß auf die eine Hauptaus einem magnetischen Isoliermaterial, wie einem fläche des scheibenförmigen Trägers eine metallische Ferrit oder einem Eisenoxyd, das an der Verbindungs- leitende Schicht aufgebracht wird, wodurch der stelle der Übertragungsleitungen angeordnet und 40 Masseleiler gebildet wird, und daß auf die entgegendurch ein senkrecht zur Zirkulationsebene gerichtetes gesetzte Hauplfläche des Trägers eine andere metalmagnetisches Feld magnetisch vorgespannt wird. Iische leitende Schicht in einem Muster aufgebracht Die grundlegenden Betriebsprinzipien eines Zirku- wird, welches die schmalen Leiter und deren Kopplators mit nichtreziproken Elementen ist verschiedent- lungsstelle bildet.

lieh in der Literatur beschrieben, beispielsweise in 45 Der ebene Masseleiter wird dabei wesentlich größer

dem Buch »Microwave Ferrites and Ferrimagnetics« als der schmale Leiter gemacht, so daß die elektro-

von B. Lax und K.J. Button, McGraw-Hill, magnetischen Wellen sich etwa in der Form von

1962, S. 517 bis 539 und 609 bis 630. Die relativ TEM-Wellen zwischen ihnen ausbreiten. Der Abstand

großen Abmessungen und das Gewicht der bisher zwischen den Leitern einer Übertragungsleitung wird

zur Verfügung stehenden Zirkulatoren sind bei 50 genügend klein und die Dielektrizitätskonstante des

ihrer Anwendung immer problematisch gewesen. Abstandsmaterials genügend groß gemacht, so daß

Es sind zwar zahlreiche Vei besserlingen vorgeschlagen sich die elektromagnetischen Felder in der Hauptsache

worden, aber dennoch besteht ein starkes Bedürfnis zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen

nach außerordentlich kleinen und leichten Ziiku- der Leiter einer Leitung ausbreiten und außerhalb

latoren. Seit der Einführung der Mikroelektronik und 55 dieser Leitungen keine nennenswerte Abstrahlung

dem gleichzeitigen Bedürfnis nach Hochfrequenz- auftritt. Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß

zirkulatoren, die sich in integrierte Schaltungen einbe- nur ein einziges Abstandsstück oder Substrat aus dem

ziehen lassen, ist dieser Mangel noch krasser geworden. magnetischen Isoliermaterial zwischen der Verbin-

Die Nachteile der bekannten Zirkulatoren beruhen dungsstelle der schmalen Leiter der entsprechenden

zum Teil darauf, daß sie eine Doppelleitermasse- 60 Leitungen und den größeren oder ebenen Leitern dieser

anordnung mit zwei getrennten Isolierkörpern auf- Leitungen angeordnet ist. In der Praxis können die

weisen, zwischen denen sich die schmalen Über- größeren oder ebenen Leiter der entsprechenden

tragungsleiter befinden. Der Abstand zwischen den Leitungen als ein zusammenhängendes einziges ebenes

(breiten) Masseleitern und den schmalen Über- Leiterstück oder als Grundfläche für den Zirkulator

tragungsleitern wird durch gesonderte Abstandhalter 65 ausgebildet sein. Das einzige Abstandsstück oder der

am Umfang des Zirkulators hergestellt. Ein typischer Tiäger magnetischen Isoliermaterials dient der Kopp-

Zirkulator dieser Art ist in der USA.-Patentschrift lung der Energie der elektromagnetischen Wellen in

3 24 beschrieben. In dieser Patentschrift findet nichtreziproker Weise nur zu einer anderen der

leitungen, wenn das Magnetmaterial durch ein nagnetisches Feld geeignet vorgespannt wird, welches jarallel zu dem elektrischen Feld der als TEM-Wellen iich längs einer der Leitungen ausbreitenden elektro-Tiagnetischen Wellen verläuft. Der so aufgebaute mit iiner einzigen Grundplatte versehene Breitbanddrkulator ist klein, leicht und einfach herzustellen jnd eignet sich besonders gut für die Verwendung bei .ntegrierten oder anderen mikroelektronischen Schaltungen. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine streifenförmige Übertragungsleitung,

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Zirkulator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

F i g. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der F i g. 2.

In F i g. 1 ist eine streifenförmige Übertragungsleitung dargestellt, auf welcher sich elektromagnetische Wellen etwa als TEM-Wellen ausbreiten und die einen schmalen Leiter 10 und einen einzigen ebenen Grundplattenleiter 11 aufweist, zwischen denen sich eine Schicht 13 aus dielektrischem Material befindet. Das leitende Material, welches die Leiter 10 und 11 bildet, kann in Foim dünner Schichten auf das dielektrische Material 13 aufgebracht sein. Das leitende Material kann auf bestimmten Oberflächenteilen des Dielektrikums 13 nach bei gedruckten Schaltungen bekannten Verfahren chemisch abgelagert oder durch eine Schablone aufgesprüht oder aufgestäubt werden. Der Masseleiter 11 soll vorzugsweise zwei bis dreimal so breit wie der schmale Leiter 10 sein, obwohl eine größere Breite noch niedrigere Verluste ergibt. Die Dicke der Übertragungsleitung und die Dielektrizitätskonstante sollen so gewählt sein, daß eine Abstrahlung von der Leitung nicht auftritt.

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen sternförmigen Zirkulator 20 mit drei Anschlüssen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der an Hand von F i g. 1 dargestellten Form der Übertragungsleitung. Der Zirkulator 20 enthält an einem ersten Anschluß 21, einem zweiten Anschluß 22 und einem diitten Anschluß 23 einen Koaxialkoppler. Schmale Leiter 25, 26 und 27, die den an Hand von F i g. 1 beschriebenen Leitern 10 gleichen, erstrecken sich radial von einem gemeinsamen Punkt nach außen, an welchem eine dünne Kupferscheibe 29 angeordnet ist. Die schmalen Leiter 25, 26 und 27 sind an die entsprechenden Mittelleiter der Koaxialkoppler an den Anschlüssen 21, 22 und 23 angekoppelt und ragen unter einen Winkel von jeweils 120° von der Scheibe 29 nach außen und bilden auf diese Weise einen symmetrischen sternförmigen Zirkulator mit drei Anschlüssen. Die Leiter 25, 26 und 27 können dünne Kupferstreifen sein und sind an der Oberseite eines einzigen Abstandsstückes oder Trägers 30 aus magnetischem Isoliermaterial befestigt. Die Kupferscheibe 29, mit der die schmalen Leiter 25, 26 und 27 verbunden sind, ist zentriert und ebenfalls auf der gleichen Oberfläche des Trägers 30 befestigt. Eine dünne Kupfergrundplatte 33, die nur in F i g. 3 zu sehen ist, ist an der Unterseite des magnetischen Isoliermaterialträgers 30, also auf der den schmalen Leitern 25, 26 und 27 gegenüberliegenden Seite befestigt. Zur Ausbildung von Leitern auf dem Träger zur Erzeugung der schmalen Leiter, der Scheibe und des Grundplattenleiters lassen sich zahlreiche Techniken anwenden, beispielsweise können diese Leiter aufgeklebt oder aufgedampft werden.

Bei den bisher üblichen, streifenförmige Übertragungsleitungen verwendenden Zirkulatoren ist eine Mehrzahl schmaler Mittelleiter vorgesehen, die sich radial von einem gemeinsamen Punkt und einer Grundfläche auf jeder Seite des Mittelleiters erstrecken, so daß die Diskontinuitäten der Zirkulator-Streifen-Übertiagungsleitungen geometrisch gegenüber den oberen und unteren Leitungsabschnitten abgeglichen sind, so daß Abstrahlungen unterdrückt werden. Diese

ίο bekannten Zirkulatoren verwenden Scheiben eines magnetischen Isoliermaterials, das innerhalb einer Mehrzahl dielektrischer Träger montiert ist und damit einen schwierig herzustellenden Aufbau darstellt.

Bei dem erfindungsgemäßen Zirkulator ist dagegen

»5 der Abstand zwischen den schmalen Streifenleitern 25, 26 und 27, der Scheibe 29 und dem einzigen ebenen Leiter 33 so klein (kleiner als die halbe Wellenlänge einer sich im dielektrischen Medium ausbreitenden TEM-WeIIe), daß außerhalb der Leitungen nur sehr wenig Strahlung auftritt. Dadurch, daß dieser Abstand so schmal gemacht wird und ein Material relativ großer Dielektrizitätskonstante für den einzigen Träger 30 (Dielektrizitätskonstante beispielsweise 9,4) zwischen den Leitern 25, 26, 27, der Scheibe 29 und dem Leiter 33 verwendet wird, werden die elektromagnetischen Felder auch im wesentlichen zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen (zwischen der Scheibe 29 und der gegenüberliegenden Oberfläche des Leiters 33 und zwischen den schmalen Leitern 25, 26 und 27 und der gegenüberliegenden Fläche des Leiters 33) geführt. Die Möglichkeit einer Abstrahlung in Folge von Diskontinuitäten ist dabei stark verringert. Infolge der relativ hohen Dielektrizitätskonstante kann feiner die Gesamtgröße des Zirkulator 20 klein gehalten werden. Da die offenen Seiten des Zirkulators sehr dünn sind, sind die Anpassungsverhältnisse an den freien Raum an den offenen Seiten sehr schlecht.

Zur Vervollständigung der Konstruktion eines nichtreziproken Verbindungszirkulators, wie ihn Fig.l darstellt, wird ein magnetischer isolator und ein magnetisches Feld benötigt, das parallel zur Richtung des elektrischen Feldes einer innerhalb der Leitungen sich ausbreitenden TEM-WeMe verläuft.

Das magnetische Isoliermaterial kann beispielsweise Eisen und Aluminiumoxyd, Ferrit oder anderes Magnetmalerial sein. Die Stärke des magnetischen Gleichfeldes und seine Richtung sind so gewählt, daß die Zirkulation der elektromagnetischen Energie in derfürden interessierenden Frequenzbereich gewünschten Richtung vonstatten geht.

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen sehr einfachen, relativ preiswerten und leicht herzustellenden Breitbandzirkulator. Die Figur läßt die schmalen Leiter 26 und 27 erkennen, die auf der Oberseite eines einzigen flachen magnetischen Isolationsmaterials 30, ein Ferrit oder Granat, befestigt sind. Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform sind die Leiter auf den Garnetträger 30 aufgedampft.

Die schmalen Leiter sind mit einer leitenden Scheibe 29 verbunden, die auf der gleichen Oberfläche des Trägers 30 aufgedampft und zentriert ist, ebenso wie die schmalen Leitungen 25, 26 und 27. Auf der gegenüberliegenden Unterseite des Magnetmaterials 30 ist ein Grundplattenleiter 33 aufgedampft. Auf diese Weise befindet sich ein einziges flaches Stück magnetischen Isoliermaterials zwischen den leitenden Materialien und hält diese im Abstand, so daß ein einfacher

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. »o

Beim Betrieb der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform werden Koaxialkabel an die Anschlüsse 21, 22 und 23 angekoppelt. Der einzige flache magnetische Isoliermaterialträgcr 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-WeIIe 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 2OdB 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 (7)

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