DE2005019C3 - Isolator für elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Isolator für elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Rechteck-Hohlleiterabschnitt mit einem Element aus gyromagnetischem Material, das sich in einer Querschnittsebene des Hohlleiterabschnittes zwischen den beiden Breitseiten mit asymmetrischen Abständen zu den beiden Schmalseiten erstreckt und das durch ein in Richtung senkrecht zu den Breitseiten wirkendes Magnetfeld erregt ist

Die Verwendung von Material mit gyromagnetischen Eigenschaften zur Erzielung nichtreziproker Effekte in Mikrowellen-Übertragungsanordnungen ist bekannt und hat zahlreiche und unterschiedliche Anwendungen gefunden. Frühe Arbeiten auf diesem Gebiet werden in einem Aufsatz »The Behavior and Applications of Ferrites in the Microwave Region« von A. G. F ο χ, Ε. S. Miller und M. T. Weiss in »The Bell System Technical Journal«, Januar 1955, Seilen 5—103, beschrieben. Ein Überblick über die Verwendung von gyromagnetischem Material wird \u »The Proceedings of the IRE«, Band 44, Nr. 10, Oktober 1956, gegeben.
Zu den neuen Anwendungen gehört der sogenannte Isolator. Es handelt sich dabei um ein Bauteil, das sich in einer Richtung, nämlich der Vorwärtsrichtung, ausbreitende Wellenenergie nur schwach dämpft, während in der anderen Richtung, nämlich der Rückwärtsrichtung,

ίο laufende Wellenenergie in dem durch das jeweilige System erforderlichen Ausmaß gedämpft wird.

Zu den verschiedenen Isolatortypen gehört der sogenannte »Feldverlagerungsw-Isolator, der insbesondere in der US-PS 29 46 025 beschrieben ist. Entsprechend der einfachen Theorie des bekannten Feldverlagerungs-Isolators wird das Feldmuster der elektromagnetischen Welle mit Bezug auf das gyromagnetische Element für die Vorwärtsrichtung in einem Sinn und für die Rückwärtsrichtung im entgegengesetzten Sinn verlagert. Dadurch erreicht man, daß für die Vorwärtsrichtung ein schwaches elektrisches Feld der Welle in einem Bereich und ein vorzugsweise starkes elektrisches Feld im gleichen Bereich für eine in der Rückwärtsrichtung laufende Welle vorhanden ist- In dem Bereich wird ein widerstandsbehaftetes Material mit dem Ergebnis angeordnet, daß sich in der Vorwärtsrichtung eine nur sehr schwache Dämpfung einstellt, während das starke elektrische Feld im Bereich des widerstandsbehafteten Materials für die Rückwärtsrichtung eine bedeutende Dämpfung bewirkt Diese Dämpfung bezeichnet man als Rückwärtsdämpfung des Isolators.

Bei der Auslegung aller Isolatoren ist man bestrebt die Rückwärtsdämpfung möglichst optimal zu gestalten, ohne die Vorwärtsdämpfung in unerwünschter Weise zu erhöhen. Bei einer Ausführungsform mit außerordentlich guten Ergebnissen wird das widerstandsbehaftete Material in Form eines langen dünnen Streifens verwendet. Dieser Streifen wird sorgfältig so angebracht, daß sich eine minimale Vorwärtsdämpfung ergibt. Er kann zur Erzielung der erforderlichen Rückwärtsdämpfung beliebig lang gemacht werden, überiicherweise mehrere Wellenlängen lang. In letzter Zeit wurden in den Vereinigten Staaten kürzere Isolatoren angeboten, die eine gleich gute Rückwärtsdämpfung unter Verwendung einer großen Menge von widerstandsbehaftetem Material zu zeigen scheinen, das überiicherweise in einen Abschnitt eines Rechteckhohlleiters durch eine öffnung in einer schmalen Wand hineinragt. Dabei wird jedoch die kleine Länge dieser Bauteile auf Kosten einer erhöhten Vorwärtsdämpfung erreicht. Eine öffentliche Druckschrift bezüglich dieser kurzen Isolatoren ist nicht bekannt.

Bei einem Isolator der eingangs genannten Art sind innerhalb des Rechteck-Hohlleiterabschnitts zwischen den beiden Breitseiten mit asymmetrischen Abständen zu den beiden Schmalseiten in Axialrichtung des Hohlleiterabschnitts hintereinander Zylinder kleinen Durchmessers aus gyromagraischem Material angeordnet (FR-PS 15 48 492).

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt die Länge eines Isolators weiter herabzusetzen und dabei eine hohe Rückwärtsdämpfung und eine niedrige Vorwärtsdämpfung zu erreichen. Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Isolator der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet daß in der Querschnittsebene des gyromagnetischen Elements im Bereich zwischen diesem Element und der weiter

davon abliegenden Schmalseite eine verlustbehaftete Koaxiai-Stichleitung derart angeordnet ist, daß sie sondenartig durdi eine öffnung in einer Breitseitenwand des Hohlleiterabschnittes und senkrecht zu dieser Wand frei in den Innenraum des Hohlleiterabschnittes hineinragt, und daß die Länge dieser Stichleitung derart gewählt ist, daß im vorgegebenen Frequenzbereich die Resonanzbedingungen erfüllt sind.

Es wird also sowohl für das gyromagnetische Element als auch dar. verlustbehaftete Element eine Resonanzbedingung geschaffen. In Weiterbildung der Erfindung nimmt das gyromagnetische Element die Form einer Säule an, die sich über einen größeren Teil des Abstandes zwischen den Breitseiten des Hohlleiterabschnitts erstreckt. Die Größe der Säule und ihre Lage sind so gewählt, daß der Querschnitt des Hohlleiters an der Stelle der Säule bei der interessierenden Frequenz in Resonanz ist. Der Abstand der verlustbehafteten Koaxial-Stichleitung zu der vom gyroiwagnetischen Element weiter abliegenden Schmalseite des Hohlleiterabschnitts ist in Weiterbildung der Erfindung geringer als die halbe Länge der Breitseite. Der Außenleiter der Koaxial-Stichleitung ist kürzer als der Innenleiter, und zwar um einen Betrag, der die Impedanz der Stichleitung an die des Hohlleiters anpaßt. Wenn eine solche Stichleitung mit verlustbehaftetem Material belastet ist, so ergibt sich eine feste Koppl mg der elektrischen Resonanzfelder in Rückwärtsrichtung mit dem verlustbehafteten Material, wodurch die Rückwärtsdämpfung bei der Resonanzfrequenz auf ein Optimum gebracht werden kann. Das schlanke Profil der Stichleitung ermöglicht andererseits eine praktisch vollständige Entkopplung von den verlagerten elektrischen Feldern für die Vorwärtsrichtung. Es werden also hohe Rückwärtsdämpfungen und niedrige Vorwärtsdämpfungen mit einer Anordnung erzielt, die das Hohlleitersystem, in die die Anordnung eingefügt ist, nur um einen Br jchteil einer Wellenlänge länger macht.

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Mikrowellen-Isolators nach der Erfindung,

Fig.2 eine Querschnittansicht eines Teiles des Isolators nach Fig. 1, in der die relative Anordnung der Bauteile dargestellt ist,

F i g. 3 eine Aufsicht des in F i g. 2 gezeigten Teils.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Feldverlagerungsisolator nach der Erfindung gezeigt, der einen Abschnitt eines leitend begreniten Rechteckhohleiters 10 mit zwei Paaren von entgegengesetzt angeordneten, parallelen leitenden Wänden aufweist und dessen größere Querabmessung größer als eine halbe Wellenlänge aber kleiner als eine Wellenlänge der niedrigsten, zu übertragenden Frequenz ist. Im allgemeinen ist die kleinere Querabmessung (Schmalseite) halb so groß wie die größere Querabmessung (Breitseite). Die Abmessung in Längsrichtung (parallel zur Ausbreitungsrichtung) ist etwa halb so groß wie die Schmaleiste. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wandstärke so vergrößert, daß die äußeren Querschnittsabmessungen der Anordnung etwa denen entsprechen, die üblicherweise für typische Hohlleiter-Flanschverbindungen benutzt werden, so daß der Isolator direkt zwischen Anschlußflansche, beispielsweise den Flansch 8, an den Enden eines Hohlleitersystems 9 eingesetzt werden kann.

Entlang der Schmalseite im Hohlleiter tO erstreckt sich an einer Stelle zwischen einer Schmalseitenwand und der Breitseiten-Halbierenden, also der Verbindungslinie der Breitseitenwandmitten des Hohlleiterabschnittes ein säulenförmiges Element 11 aus magnetisch polarisierbarem Material, das gyromagnetische Eigenschaften bei Mikrowellenfrequenzen zeigt Nachfolgend soll an Stelle dieser genaueren Beschreibung geeignetes Material als gyromagnetisches Material bezeichnet werden. Zu dieser Klasse von Materialien zählen ferromagnetische Stoffe einschließlich von Spinell-Ferriten und granatartige Yttrium-Eisenverbindungen. Ein

ίο bestimmtes gyromagnetisches Material, das für das Element 11 geeignet ist umfaßt aluminiumsubstituiertes Yttrium-Eisengranat mit einer Sättigungsmagnetisierung von 400 G, einer Linienbreite von 100 Oe und einer Dielektrizitätskonstante von 15.

Das gyromagnetische Element 11 ist einem polarisierenden Magnetfeld in Richtung seiner Achse und demgemäß quer zur Längsachse des Hohlleiters 10 und parallel zu den Schmalseitenwänden des Hohlleiters ausgesetzt. Eine geeignete Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes kann Permanentmagnete 13 umfassen, die in die verdickte Wand des Hohlleiters 10 oberhalb und unterhalb des Elementes 11 eingelassen sind. Alternativ kann das Elemente 11 selbst permanent magnetisiert sein. Die Stärke des Magnetfeldes wird auf einen Wert eingestellt der etwa dem entspricht, der zur Sättigung des Elementes 11 notwendig ist, der aber kleiner als derjenige Wen ist, bei dem Verluste aufgrund der gyromagnetischen Resonanz im Element 11 entstehen. Auf übliche Weise kann ein schmaler Luftspalt 12 an einem Ende der Säule 11 gelassen und der Magnetkreis über eine Anordnung 14 geschlossen werden.

Es ist bekannt, daß bei dieser Vormagnetisierung und an der beschriebenen Stelle das Element 11 zirkularpolarisierten Magnetfeldern der sich ausbreitenden Welle ausgesetzt ist und unterschiedlich wirksame Permeabilitätswerte für Wellenenergie besitzt, die in entgegengesetzter Richtung durch den Hohlleiter 10 laufen. Für eine Ausbreitungsrichtung ist die wirksame Permeabilitat kleiner als eins, und die Wellenenergie wird durch das Elemente abgestoßen, so daß die elektrische Feldstärke im Hohlleiter auf der dem Element 11 gegenüberliegenden Seite groß ist. Für die entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung ist die wirksame Permeabilität größer als eins, und Wellenenergie wird zum Element hingezogen, so daß die elektrische Feldstärke im Hohlleiter auf der dem Elemente 11 gegenüberliegenden Seite klein ist.

Diese beiden Effekte werden durch richtige Wal der Querschnittsabmessungen der Ferritsäule 11 und ihres Abstandes von der näher gelegenen Schmalseitenwand verstärkt. Im allgemeinen dürfte es vorzuziehen sein, daß der Durchmesser einer Säule mit kreisförmigem Querschnitt in der Größenordnung einer halben Wellenlänge innerhalb des gyromagnetischen Materials und unter Berücksichtigung seiner Dielektrizitätskonstante liegt. Die Säule 11 muß nicht notwendigerweise kreisförmigen Querschnitt haben, aber für andere Querschnittsformen müssen ihre Abmessungen empirisch bestimmt werden. Nach Wahl des Durchmessers und bei einem zur Sättigung ausreichenden Magnetfeld wird die Säule 11 in Querrichtung des Hohlleiters bis zu derjenigen Lage verschoben, die zum kleinsten Stehwellenverhältnis für beide Ausbreitungsrichtungen führt. Im allgemeinen liegt der Abstand dieser Stelle von der näheren Schmalseitenwand in der gleichen Größenordnung wie der Durchmesser der Säule selbst. Feldsondenversuche scheinen zu zeigen, daß bei Erfüllung der

vorstehenden Bedingungen zwei unterschiedliche Resonanzzustände bestehen. Diese Theorie soll jedoch nicht zu einer Einschränkung führen. Für die Vorwärtsrichtung ergibt sich eine Resonanz beim Querschnitt der Säule, wobei im wesentlichen alle Energie im Material 5 der Säule selbst enthalten ist. Ein Minimum des elektrischen Feldes besteht auf beiden Seiten der Säule im gleichen Querschnitt wie der Durchmesser der Säule. Für die Rückwärtsrichtung befindet sich der größte Teil des Feldes außerhalb der Säule, und es besteht eine Resonanz zwischen den schmaleren Wänden des Hohlleiters, ähnlich dem als Grenzfrequenz bekannten Phänomen, bei dem die Wellenausbreitungsrichtung mehr oder weniger senkrecht zu den Hohlleiterwänden verläuft. Diese beiden sehr verschiedenen Feldmuster der Welle haben nicht nur unterschiedliche elektrische Feldstärken in einem gegebenen Bereich, sondern auch stark verschiedene Impedanzen im gleichen Bereich für Wellen, die in entgegengesetzten Richtungen durch den Bereich laufen.

In dem vorstehend beschriebenen Bereich ist eine verlustbehaftete Koaxial-Stichleitung 18 angebracht, die so angepaßt und abgestimmt ist, daß sie eng und wiederholt mit den hin- und hergehenden Feldern für die Rückwärtsrichtung gekoppelt ist, so lange, bis diese Felder zum Verschwinden gebracht sind. Da die Stichleitung 18 bezüglich ihrer Impedanz an die Rückwärtswelle angepaßt ist, ist sie im wesentlichen von der in Vorwärtsrichtung laufenden Welle mit unterschiedlicher Impedanz und kleiner Feldstärke im Vergleich zu den Parametern der Rückwärtswelle entkoppelt.

Zur Erzielung dieser speziellen Wirkungen ist die Stichleitung 18 eine verkürzte und verlustbehaftete Koaxial-Resonanzstichleitung, die dadurch an die in Rückwärtsrichtung durch den Hohlleiter laufende Welle angepaßt ist, daß sie durch eine Breitseitenwand des Hohlleiters 10 auf der von der Säule 11 entgegengesetzten Seite der Breitseiten-Halbierenden des Hohlleiters aber im gleichen Querschnitt wie die Säule 11 führt. Es lassen sich zwar die weniger klar definierten Feldmuster auf der gleichen Seite der Breitseiten-Halbierenden wie die Säule benutzen, dies führt aber zu einer gedrängten Anordnung. Genauer gesagt enthält die Stichleitung 18 einen Außenleiter 15 und einen Innenleiter 16, von denen je ein Ende in den Hohlleiter 10 führt und die an ihrem anderen Ende durch das Kurzschlußglied 17 miteinander verbunden sind. Aus später noch zu erläuternden Gründen erstreckt sich der Innenleiter 16 über das Ende des Außenleiters 15 hinaus in den Hohlleiter 10 hinein.

Die Stichleitung 18 beinhaltet demgemäß drei Hauptvariable, nämlich den Abstand vom Kurzschlußglied 17 zur leitenden Begrenzung des Hohlleiters 10, den Abstand von der leitenden Begrenzung zum Ende des Außenleiters 15 und den Abstand vom Kurzschlußglied 17 zum Ende des Innenleiters 16. Zusammenge nommen sollen diese Parameter so bemessen sein, daß sich die Koaxial-Stichleitung bei der Betriebsfrequenz in Resonanz befindet und an die Impedanz der Rückwärtswelle angepaßt ist Theoretisch ist für die kurzgeschlossene Stichleitung zur Erzielung der Resonanz eine Viertelwellenlänge erforderlich. Andererseits ist die Anpassung durch das Verhältnis der Länge des Außenleiters innerhalb des Hohlleiters zu dem darüber hinaus führenden Teil des Innenleiters innerhalb des Hohlleiters ähnlich den in der USA-PS 24 08 032 beschriebenen Prinzipien bestimmt Experimentell wurde gefunden, daß der Abstand vom Kurzschlußglied 17 zum Ende des Innenleiters 16 vorzugsweise ziemlich genau eine Viertelwellenlänge beträgt. Eine Feineinstellung der Abstimmung und Anpassung läßt sich dann leicht durch Einstellung der getrennten Eindringtiefe des Innen- und/oder AuBenleiters in den Hohlleiter erreichen. Zur Erleichterung dieser Einstellung ist der Außenleiter 15 mit einem Außengewinde versehen, das in die verdickte Wand des Hohlleiters 11 eingeschraubt ist, und mit einem Innengewinde zur Aufnahme eines das Kurzschlußglied 17 bildenden Gewindestückes, das wiederum den Innenleiter 16 trägt Die Teile 15 und 17 sind dann mit Schlitzen 19 versehen, die eine Verdrehung erlauben.

Der so gewonnene Resonanzkreis wird dann zur Einführung einer Dämpfung auf geeignete Weise belastet. Es können zahlreiche widerstandsbehaftete Anordnungen zwischen den Außenleiter 15 und den Innenleiter 16 zur Dämpfung von in dem Koaxialresonator umlaufenden Resonanzströmen eingeführt werden. Die bevorzugte Anordnung weist eine dünne zylindrische Schicht 20 aus widerstandsbehaftetem Material, beispielsweise Nickelchrom, auf, die auf einen hohlen Glaszylinder 21 aufgebracht ist welcher wiederum den Innenleiter 16 umgibt und vom Ende des Außenleiters 15 getragen wird. Die Zylinder 20 und 21 bewegen sich daher beim Abstimmen zusammen mit dem Außenleiter 15. Alternativ kann ein Hohlzylinder aus Kohlegranulat oder anderem verlustbehafteten Material vom Außenleiter 15 getragen werden, der den Innenleiter 16 umgibt, aber nicht berührt Die auf diese Weise sichergestellte Bewegungsfreiheit des Innenleiters 16 ermöglicht dessen Einstellung auf ein scharfes Maximum der Rückwärtsdämpfung.

Die erfindungsgemäß erzielten, verringerten Verluste in Vorwärtsrichtung scheinen auf der begrenzten Ausdehnung der Stichleitung 18 in Ausbreitungsrichtung der Wellen zu beruhen und darauf, daß die Stichleitung 18 in den mehr oder weniger beschränkten Bereich minimaler elektrischer Feldstärke für die Vorwärtsrichtung paßt. In dieser Hinsicht steht die erfindungsgemäße Anordnung im Gegensatz zu verlustbehafteten Streifen und größeren Stücken aus widerstandsbehaftetem Material bekannter Art Außerdem führt die Tatsache, daß die Stichleitung 18 an die Felder der in Rückwärtsrichtung laufenden Wellen angepaßt ist, dazu, daß sie eine große Fehlanpassung für Felder der in Vorwärtsrichtung laufenden Wellen besitzt Dies vergrößert den Entkopplungsgrad in Vorwärtsrichtung zusätzlich. Schließlich sind im Vergleich zu den hin- und herlaufenden Feldern der Rückwärtsrichtung die Felder der Vorwärtsrichtung dem schlanken Profil der Stichleitung 18 nur während eines einzigen Durchlaufs durch den Hohlleiterabschnitt 10 ausgesetzt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Betrieb im Frequenzbereich von 4GHz hat die folgenden Hauptabmessungen. Die Innenabmessungen des Rechteckhohlleiterabschnittes betragen

232 cm χ 5,82 cm. Eine gyromagnetische Säule mit der oben angegebenen Zusammensetzung besitzt einen Durchmesser von 1,45 cm und ist in einem Abstand von 1,45 cm von der näheren Schmalseitenwand angeordnet so daß sich ein Stehwellen-Spannungsverhältnis von 1,07 ergibt Der Koaxialaußenleiter dringt 038 cm ir den Hohlleiter ein, gemessen von der leitenden Begrenzung des Hohlleiters aus. Der KurzschluC befindet sich 131 cm vom Ende des Innenleiter! entfernt Wenn der Kurzschluß und der Innenleitei

zusammen auf optimale Rückdämpfung abgestimmt werden, erzielt man eine Rückwärtsdämpfung, die beträchtlich oberhalb 30 dB liegt bei einer Vorwärtsdämpfung von nur 0,15 dB über eine Bandbreite von 25 MHz. Die Länge des Isolators muß nur so groß sein, daß sie die Säule mit gegebenem Durchmesser aufnimmt.

Hierzu 1 Blatt Zcichnunccn

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Isolator für elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Rechteck-Hohlleiterabschnitt mit einem Element aus gyromagnetischem Material, das sich in einer Querschnittsebene des Hohlleiterabschnittes zwischen den beiden Breitseiten mit asymmetrischen Abständen zu den beiden Schmalseiten erstreckt und das durch ein in Richtung senkrecht zu den Breitseiten wirkendes Magnetfeld erregt ist,dadurch gekennzeichnet, daß in der Querschnittsebene des gyromagnetischen Elementes (11) im Bereich zwischen diesem Element und der weiter davon abliegenden Schmalseite eine verlustbehaftete Koaxial-Stichieitung (18) derart angeordnet ist, daß sie sondenartig durch eine öffnung in einer Breitseitenwand des Hohlleiterabschnittas (10) und senkrecht zu dieser Wand frei in den Innenraum des Hohlleiterabschnittes hineinragt, und daß die Länge dieser Stichleitung derart gewählt ist, daß im vorgegebenen Frequenzbereich die Resonanzbedingungen erfüllt sind.

2. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Koaxial-Stichleitung (18) zu der vom gyromagnetischen Element (11) weiter abliegenden Schmalseite des Hohlleiterabschnitts (10) geringer ist als die halbe Länge der Breitseite.

3. Isolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gyromagnetische Element eine Säule (11) bildet, die sich über einen größeren Teil des Abstandes zwischen den Breitseiten des Hohlleiterabschnitts (10) erstreckt.

4. Isolator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (15) der Koaxial-Stichleitung (!8) kürzer als ihr Innenleiter (16) ist.

5. Isolator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische Forlsetzung (20, 2ί) des Außenleiters (15) ein verlustbehaftetes Material aufweist.

6. Isolator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das verlustbehaftete Material einen dünnen Film (20) aus widerstandsbehaftetem Metall bildet, der auf einen Glaszylinder (21) aufgebracht ist.

7. Isolator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur getrennten Einstellung der Eindringtiefe des Innen- und Außenleiters (15, 16) in den Hohlleiter(10) vorgesehen ist.