DE1591565A1

DE1591565A1 - Nichtreziproker Vierpol

Info

Publication number: DE1591565A1
Application number: DE19671591565
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Josef Deutsch; Dipl-Ing Bernhard Wieser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-09-29
Filing date: 1967-09-29
Publication date: 1970-09-17
Also published as: GB1247933A; DE1591565B2; NL141033B; DE1591565C3; FR1583030A; NL6813289A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, d^en 2 9. SEfM 96

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Nichtreziproker Vierpol.

Die Erfindung betrifft einen nichtreziproken Vierpol, insbesondere für den Frequenzbereich der Meter- und Dezi- Λ metorwellen, bestehend aus einer unter dem Einfluß eines magnetischen Gleiehfeldes stehenden Scheibe gyromagnetischen Materials und zwei Spulen, deren Längsachsen zumindest näherungsv/eise aufeinander senkrecht stehen und die

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von einer gemeinsamen Spannungsquclle derart gespeist werden, daß der in der einen Spule flioßendo Strom um 90 Grad phasenverschoben ist gegenüber dem in der anderen Spule fließenden Strom.

Bekanntlich wird unter einem nichtreziproken Vierpol eine Anordnung verstanden, die .elektromagnetische Energie in einer Richtung mit einem anderen Übertragungsmaß überträgt als in der entgegengesetzten Richtung. Dabei v/ird die Phase der in der einen Richtung einfallenden Energie um einen bestimmten Y/inkclbetrag gedreht, während die in der anderen Richtung einfallende elektromagnetische Energie die nichtreziproke Anordnung mit einer anderen Phasendrehung durchläuft. Wenn die Dämpfungen für die beiden Portpflanzungsrichtungen sehr verschieden sind, d.h. bei nahezu verlustloser übertragung in der einen Richtung und bei verhältnismäiiig hoher Dämpfung in der anderen Richtung, dann lassen sich derartige Anordnungen vorteilhaft dort einsetzen, wo es darum geht, elektrische Schaltkreise möglichst rückwirkungsfrei miteinander zu verbinden. Bei solchen nichtreziproken Vierpolen wird in der Regel das Resonanzverhalten gyromagnetisch er Stoffe ausgenutzt. Der gyromagnetische Stoff ist hierbei im Inneren eines Wellenloiters angeordnet und wird durch ein magnetisches Gleichfold mit Hilfe eines außerhalb des Wellenleiters arige-

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brachton Magnotsysterns vormagnotisiert. Der nichtroziproke Charakter beruht auf der Eigenresonanz der Präzesoionöbev/egung der magnetischen Momente des gyromagnetischen Materials. Nichtreziproke Vierpole wurden zunächst im Bereich der sehr kursen elektromagnetischen Wellen, alßo im Bereich der Mikrowellen bekannt, da nämlich für dao Auftreten der gyromagnetische!! Resonanz das gyromagnetische Material an solchen Stellen des Wellenleiters angeordnet sein muß, an denen die magnetische Komponente dec elektro- % magnetischen Feldes eine zirkuläre hzxr. eine elliptische Polarisation aufweist. Da im Mikrowellenbereich als Wellenleiter vorzugsweise Hohlleitungen Verwendung finden, und da bei sich in Hohlleitungen fortpflanzender elektromagnetischer Energie in der Regel ohnehin zirkulär polarisierte Anteile des magnetischen Wechselfeldes vorhanden sind, ist es dort verhältnismäßig einfach, Vierpole mit nichtreziprokem Charakter zu realisieren. V/i 11 man jedoch im Bereich der Meterwollen bsw. der längeren Desineterwellen solche nichtresiproken Vierpole realisieren, dann treten hierbei zum Seil erhebliche Schwierigkeiten auf, die vor allem darin zu sehen sind, daß Hohlleitungen im Bereich der Meterwollen außerordentlich große Abmessungen arnehmen und somit unhandlich und raumverbraucher.d werden. Auch bei Anordnungen in Koaxialbauweise wird wenigstens eine Ausdehnung verhältnismäßig groß. Dabei nuß durch Einfügen

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eines geeigneten·Dielektrikums in der leitung dafür gesorgt v/erden, daß der TEM-Mode der Koaxialleitung so.verzerrt wird, daß zirkulär polarisierte Komponenten des magnetischen Wechsolfcldes auftreten. Es kommt ferner hinzu, daß der gyromagnetische Werkstoff solche Eigenschaften und eine solche Form besitzen muß, daß die gyromagnetische Resonanzfrequenz hinreichend tief is.t, d.h. also ebenfalls im Bereich der Meterwellen liegt.

Es ist durch einen Aufsatz in der Zeitschrift "Electronics" September 1961» Seiten 37 bis 42 eine Richtungsleitung bekannt geworden, bei der die eingangs erwähnten Schwierigkeit eil hinsichtlich des Raumverbrauches weitgehend behoben sind. Bei dieser Richtungsleitung werden um eine aus Ferrit bestehende Scheibe zwei Spulen gewickelt, deren Längsachsen aufeinander senkrecht stehen und die derart an die Eingangsleitung angeschlossen sind, daß der Strom der einen Spule um 90° phasenverschoben ist gegenüber dem Strom der anderen Spule. Bei dieser bekannten Richtungsleitung ist es erforderlich, die das hochfrequente Drehfeld erzeugenden Spulen vollständig un die aus gyromagnetischem Material bestehende Scheibe herumzuwickeln. Beim Betrieb vdrd die aus gyromagnetischem Material, wie beispielsweise Ferrit, bestehende Scheibe durch Absorption der Welle erwärmt und ändert dabei ihre Eigenschaften. Die Trägerkörper der

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Spulenwicklung und die Spulenwieklung selbst verhindern dabei eine ausreichende Wärmeableitung aus dem Ferrit, so daß derartige Richtungsloitungen meist nur bis zu Leistungen von 1 Watt brauchbar sind,, wenn dabei gleichzeitig gewährleistet sein β oll, daß ihre Eigenschaften reproduzier-bar und zuverlässig erhalten bleiben sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Wei3Q zu begegnen. Insbesondere soll erreicht werden, daß sich die zur Λ Erzeugung des hochfrequenten Drehfoldes erforderlichen Spulen in außerordentlich einfacher Weise herstellen lassen und daß die beim Botrieb der Richtungsleitung entstehende Warne aus dem gyromagnetisch en Material rasch abgeführt werden kann, so daß derartige Richtungsleitungen auch für den Betrieb bei größeren Leistungen brauchbar sind.

Ausgehend von einem nichtroziproken Vierpol, insbesondere für den Frequenzbereich der Meter- und Dezimoterwellon,' bestehend aus einer unter dem Einfluß eines magnetischen Gleichfeldes stehenden Seheibe gyromagnetischen Materials und zwei Spulen, deren Längsachsen zumindest näherungsweise aufeinander senkrecht stehen und die von einer gemeinsamen Spannungsquolle derart gespeist werden, daß der in der einen Spule fließende Strom um 90 Grad-phasen-

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verschoben ist gegenüber dem in der anderen Spule fließenden Strom wird dieoe Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Spulen alQ Halbspulen ausgebildet und auf der einen Seite der auo gyromagnetischem Material bestehenden Scheibe angeordnet sind, während die zweite Hälfte der beiden Halbspulen"ersetzt ist durch eine da3 von den beiden Halbspulen erzeugte hochfrequente Drehfeld spiegelnde metallische Platte, die auf der andernn Seite der aus gyromagnotischem Material bestehenden Scheibe angeordnet ist.

Insbesondere i3t hierbei daran gedacht, einen derartigen nichtreziproken Vierpol symmetrisch zu den beiden Halbspulen auszubilden.

Perner ist es günstig, wenn die metallische Platte Bestandteil eines die Halbspulen und die Scheibe gyromagnetischen Materials umschließenden Gehäuses i3t.

Eine rasche Wärmeableitung aus dem gyromagnetischen Material läßt sich dadurch erzielen, daß die metallische Platte und dio aus gyromagnotischem Material bestehende Scheibe unmittelbar aneinander anliegen.

Für den Betrieb einer Richtungsleitung bei verhältnismäßig tiefen Frequenzen i3t e.s zur Erzielung eines vor-

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hältnismäßig großen Entmagnetisierungsfaktors in Richtung doo magnetischen Gleichfeldes günstig, wenn die metallische Platte auo einem nichtmagnetischen Material besteht.

Ferner ißt en vorteilhaft, wenn die "beiden Halbspulen nach Art einer gedruckten Schaltung durch Aufbringen einer Kaochierung auf beiden Seiten eines Isolierstoffplättchens ausgebildet sind.

Zum Aufbau nichtreziproker Vierpole, die für den Betrieb bei verhältnismäßig großen Leistungen gedacht sind, ist es günstig, wenn mehrere jeweils aus metallischer Platte, Scheibe gyromagnotischen Materials und Halbspulen bG3tehende Einheiten übereinander geschichtet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsboispielen noch näher erläutert. Der Erfindungsgedanke wird dabei am Beispiel einer Resonanzrichtungsleitung verdeutlicht, jecloQh int er gleichermaßen auf andere nichtreziproko Bauteile, wie beispielsweise einen nichtreziproken Phasenschieber anwendbar.

Es zeigen in der Zeichnung:

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Die Pig. 1 das an sich bekannte elektrische Ersatzschaltbild einer Resonsnzrichtungsleitung mit konzentrierten Bauelementen;

die Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Richtungsleitung gemäß der Erfindung ohne Kondensatoren;

die Fig. 3 die Ausbildung der beiden gekreuzten Halbspulen.

Das Ersatzschaltbild gemäß der Fig. 1 zeigt einen elektrischen Vierpol, in dessen Eingangsquerzweig die Parallelschaltung aus einem Kondensator C1 und einer Spule A liegt. Im Längszv/eig d3t die Serienschaltung aus einer Spule B und einem Kondensator C2 nachgeschaltet. Die Anschlüsse der Spule A sind niit al und a2 bezeichnet, die Anschlüsse der Spule B sind rait b1 und b2 bezeichnet. Zum einfacheren Abgleichen der Schaltung werden die Kondensatoren C1 und C2 zv/eckmäßig als in ihrem Kapazitätswert veränderbare Kondensatoren ausgebildet. Die Spulen A und B sind in der su realisierenden Schaltung derart anzuordnen, daß ihre längsachsen aufeinander senkrecht stehen. Durch den der Spule A parallel geschalteten Kondensator 01. sowie durch den der Spule B in Serie geschalteten Kondensator C2 wird bewirkt, daß der in der Spule B fließende Strom um 90 phasenverschoben ist, gegenüber c fließenden Strom. Zwischen den Spulen A

um 90° phasenverschoben ist, gegenüber dem in der Spule A

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und B liegt eine unter dem Einfluß eines magnetischen Gleichfeldes stehende Scheibe aus gyromagnetischera Material. Wegen der aufeinander senkrecht stehenden Spulenlängsachsen entsteht in Verbindung mit der 90^o-Pbasenverschiebung des die Spulen durchfließenden Stromes im liaußi zwischen den Spulen A und B ein zirkularpolarisiertes magnetisches V/echselfold, das ebenfalls auf die aus gyromagnetische!» Material bestehende Scheibe einwirkt. Im allgemeinen werden zv/ei Spulen mit beispielsweise einer oder zwei Windungen benutzt. Zur -Erzielung eines besseren Verhält- d ηisses von Sperr- zu Durchlaßdämpfung wurde in diesem Zusammenhang bereits vorgeschlagen, jede der Spulen A bzw. B durch wenigstens zv/ei parallelgesehaltote, ineinander ver-* schachtelte Spulen mit je zwei oder mehr Windungen herzustellen.

Die Figur 2 zeigt im Querschnitt den prinzipiellen Aufbau des Magnetsysteras einer Resonanzrichtungsleiting, die wegen ihre3 symmetrischen Aufbaues in der Praxis bevorzugt * angewendet wird. Mit der Bezugsziffer 1 sind die Permanentmagnete zur Vormagnetisierung des gyromagnetischen Materials bezeichnet. Der magnetische Gleichfluß dieser Permanentmagneto schließt sich über das mit 5 bezeichnete Joch. Unmittelbar an den Permanentmagneten 1 liegen die

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metallischen Flatten 2 an, an die sich wiederum die aus gyromagnetischem Material bestehenden Scheiben 3 anschließen. Im Ausführungsbeiapiel bestehen dio Scheiben auD einem Ferrit. Zwischen den Scheiben 3 liegen die der Erzeugung des zirkularpolarisierten magnetischen Wechselfeldeo.dienenden Halbspulen 4a und 4b, die in der Pig, 3 in einer Draufsicht gesondert herausgezeichnet sind. Wie aus der Figur 3 zu entnehmen ist, bestehen die beiden Halbspulen 4a und 4b aus zueinander parallel verlaufenden einzelnen Bündern oder Drähten eines elektrisch leitenden Materials, die an ihren jeweiligen Stirnseiten miteinander verbunden 3ind. Die Längsachsen der beiden Halbspulen stehen aufeinander senkrecht, wie dies bereits anhand der Fig. 1 erläutert wurde.

In der Figur 3 sind ferner die Größe und die lage der aus gyromagnetischem Material bestehenden Scheiben 3 gestrichelt angedeutet. Zwischen den beiden Halbspulen 4a und 4b muß in an sich bekannter Weise ein aus Isoliermaterial bestehendes Plättchen liegen, das einen unmittelbaren Kurzschluß zwischen den beiden Halbspulen verhindert. In einfacher Weise lassen sich daher die beiden Halbspulen 4a und 4b in der Art einer gedruckten Schaltung ausbilden, indem auf beiden Seiten eines _x\ Isoliorstoffplättchens dio einzelnen Leitungszüge in der

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Form einer Kaschierung aufgebracht werden. Die Anschlüsse der beiden Halbspulen sind analog zum Schaltbild der Piß. 1 rait al, a2, b1 und b2 bezeichnet. Die Anschlüsse al und bi sind miteinander verbunden, der Anschluß a2 liegt auf Ilassepotential, an den Anschluß b2 schließt sich der Kondensator 02 an.

Bringt men gemäß Fig. 2 zwischen die metallische Platte und die als Einheit zu betrachtenden Halbspulen 4a und 4b ^ die aus gyromagnetischera Material bestehende Scheibo 3 ein, dann wird das von den Halbspulen 4a und 4b erzeugte magnetische Drehfcld an der metallischen Platte gespiegelt, so daß sich dadurch für die aia igyromagnetischem Material bestehende Scheibe 3 die gleiche Wirkung ergibt, als wäre sie vollständig von den Windungen der einzelnen Spulen umschlossen. Mit anderen Worten heißt das, daß die Halbspule 4a in Verbindung mit der metallischen Platte 2 die Spule A (vergl. Fig. 1) nachbildet, während die Halbspule 4b in Verbindung mit der metallischen Platte 2 die (| Spule b nachjbildet. Auf diese Weise lassen sich die einzelnen Spulen außerordentlich einfach herstellen und bestehen demzufolge nur mehr aus einer halben Windung mehrerer parallel geschalteter Leiterbände bzw. mehrerer parallelgeschalteter Drähte. Wie bereits erwähnt, ist in der Figur eine zu den beiden Halbspulen 4a und 4b symmetrische An-

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Ordnung gezeichnet. Die gleiche elektrische Wirkungsweise ergibt sich auch bei einer unsymmetrischen Anordnung, in der lediglich die metallische Platte 2, eine Ferritscheibo 3 und die Halbspulen 4a und 4b aufeinanderfolgend zwischen den Permanentmagneten 1 angeordnet sind, die symmetrische Anordnung hat jedoch wegen der Verwendung zweier Ferritscheiben 3 den Vorteil, daß eine größere elektrische leistung über die Richtungsleitung übertragen

W v/erden kann, da sowohl die Verlustleistung als auch die reflektierte Leistung auf zwei Ferritscheiben aufgeteilt wird. Die metallischen Platten 2 können gleichseitig Bestandteil eines Gehäuses sein, das im allgemeinen zur Abschirmung unerwünschter Streufelder erforderlich ist. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, die metallischen Platten 2 und die aus gyromagnetisehern Material bestehenden Scheiben 3 unmittelbar aneinander anliegen zu lassen, wodurch sich ein guter V/ärmekontakt ergibt und somit die

k im gyromagnotischen Material entstehende Wärme rasch nach außen abgeführt werden kann, was wiederum zur Folge hat, daß derartige Richtungsleitungen für wesentlich höhere elektrische Leistungen verwendbar sind als die bisher üblichen Richtungsleitungen.

Beim Betrieb von Resonanzrichtungsleitungen bei verhältnismäßig tiefen Frequenzen, wie beispielsweise im Fre-

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quenzgebict der längeren Dezimeterwellen und der Meterwellen, müssen gyromagnetische Werkstoffe mit kleiner Sättigungsmagnetisierung verwendet v/erden, deren Entmagnetisierungsfaktor in Richtung des magnetischen Gleichfeldes möglichst groß sein muß. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, in den magnetischen Kreis, der durch die 'aus Ferrit bestehenden Scheiben 3, die Permanentmagnete und das Magnetj och 5 gebildet wird, einen hinreichend großen Luftspalt einzubauen. In diesem Falle wird man daher für die metallischen Platten 2 ein nichtmagnetisches Metall verwenden, im Gegensatz zu dem sonst meist üblichen Aufbau des Magnetsystems bei reziproken und nichtreziproken Bauelementen der Mikrowellentechnik, deren Funktion auf dem Vorhandensein gyromagnetischer Werkstoffe beruht.

Weiterhin ist es möglich, mehrere Aufbauten, die jeweils aus der metallischen Platte 2, dem Ferrit 3, den Halbspulen 4a und 4b, einer weiteren Ferritscheibe 3 und einer weiteren metallischen Platte 2 bestehen, übereinander zu schichten und in einem gemeinsamen magnetischen Gleichfeld anzuordnen. Die einzelnen Einheiten müssen dabei parallclgeschaltet werden, weiterhin ist darauf zu achten, daß der Anschluß a2 der jeweiligen Halbspule A mit den metallischen Platten 2 verbunden ist, wie dies auch aus der Fig. 2 für nur eine Einheit hervorgeht. Die Über-

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einanderschichtung mehrerer solcher Einheiten wird man dann verwenden, wenn eine Anordnung gemäß der Fig. mit nur einer Einheit sich aufgrund der durchgeführten bzw. reflektierten leistung in unzulässiger Weise erwärmen würde.

7 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

3PA 9/430/2913 - 15 - Patentansprüche

1. Hichtrcziproker Vierpol, insbesondere für den Frequenzbereich der Meter» und Dezimoterv/ellen, bestehend aus einer unter dem Einfluß eines magnetischen GleichfeldcB stehenden Scheibe gyromagnetischen Materials und zvioi Spulen, deren Langsachsen, zumindest näherungsv/eisc aufeinander senkrecht stehen und die von einer gemeinsamen Spannungequelle derart gespeiet werden, daß der in der einen Spule fließende Strom um 90° phasenverschoben ist gegenüber dem in der anderen Spule fließenden Strom, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen als Halbspulen (4a, 4b) ausgebildet und auf der einen Seite der aus gyromagnetische!!! Material bestehenden Scheibe (3) angeordnet sind, während die aweite Hälfte der beiden Halbspulen ersetzt ist durch eine das von den beiden Halbspulen (4a, 4b) erzeugte hochfrequente Drehfeld spiegelnde metallische Platte (2),, die auf der anderen Seite der aus gyromagnetischem Material bestehenden Scheibe (3) angeordnet ist.

2. Nichtreziproker Vierpol nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zu den beiden Halbspulen (4a, 4b) symmetrische Ausbildung.

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3. Nichtreziproker Vierpol nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Platte (2) Beetandteil eines die Halbspulen (4a, 4b) und die Scheibe (3) gyromagnetischen Materials umschließenden Gehäuses ist.

4. Nichtreziproker Vierpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Platte (2) und die aus gyromagnetischem Material bestehende Scheibe (3) unmittelbar aneinander anliegen.

5. Nichtreziproker Vierpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Platte (2) aus einem nichtmagnetischen Material besteht.

6. Nichtreziproker Vierpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbspulen (4a, 4b) nach Art einer gedruckten Schaltung durch Aufbringen einer Kaschierung auf beiden Seiten eines Isolierstoffplättchens ausgebildet sind.

7. Nichtreziproker Vierpol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere

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jeweils aus metallischer Platte (2), Scheibe gyromagnetischen Materials (3) und Halbspulen (4a, 4b) bestehende Einheiten übereinander geschichtet sind.

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