DE2008584A1 - Waveguide circulator - Google Patents
Waveguide circulatorInfo
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Description
20085*420085 * 4
Dipl.-Phys. Leo Thul
Patentanwalt
7 Stuttgart 30
Kurze Straße 8Dipl.-Phys. Leo Thul
Patent attorney
7 Stuttgart 30
Short street 8
R. F. Skedd - 2R. F. Skedd - 2nd
INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK
Hohlleiter - ZirkulatorWaveguide circulator
Die Erfindung betrifft einen Hohlleiter-Zirkulator, der einen Hohlraumresonator mit ferromagnetischem Material aufweist, an den mindestens drei Tore direkt angekoppelt sind.The invention relates to a waveguide circulator, which has a cavity resonator with ferromagnetic material, on the at least three gates are directly coupled.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Hohlleiter-Zirkulator so zu verbessern, daß die Frequenzband-Ausnützung wesentlich verbessert wird. Der Hohlleiter-Zirkulator, der einen Hohlraumresonator mit ferromagnetischem Material aufweist, an den mindestens drei Tore direkt angekoppelt sind, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß jedes Tor eine Hohlleiter-Länge hat, die eine Grenzfrequenz über der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators ergibt, so daß bei der Resonanzfrequenz in diesen Hohlleiter-Längen nur abklingende Wellen auftreten können, und daß diese Hohlleiter-Längen einen imaginären Blindwiderstand aufweisen und durch einen Blindwiderstand abge-It is the object of the invention to provide such a waveguide circulator to improve that the frequency band utilization is significantly improved. The waveguide circulator, which has a cavity resonator having ferromagnetic material, to which at least three gates are directly coupled, is characterized according to the invention, that each gate has a waveguide length which gives a cutoff frequency above the resonance frequency of the cavity resonator, so that in the Resonance frequency in these waveguide lengths only evanescent waves can occur, and that these waveguide lengths an imaginary one Have reactance and are disconnected by a reactance
12. 2.197012.2.1970
. „ 9 _. "9 _
VO/ StVO / St
ι 009887/1260 ORIGINAL INSPECTED ι 009887/1260 ORIGINAL INSPECTED
200858V200858V
R. F. Skedd - 2 - 2 -R. F. Skedd - 2 - 2 -
schlossen sind, der der konjugierte Wert zu dem imaginären Wellenwiderstand der Hohlleiter-Länge ist. Da dieser Zirkulator nach dem Dämpfungstyp aufgebaut ist, wird die bessere Frequenzband-Ausnützung erreicht.which is the conjugate value of the imaginary wave impedance of the waveguide length. Since this circulator is constructed according to the damping type, the better utilization of the frequency band is achieved.
Fig. 1 einen Hohlleiter-Zirkulator mit drei im Querschnitt rechteckförmigen Toren,1 shows a waveguide circulator with three gates which are rectangular in cross section,
L·L Fig. 2 . eine Übertragungsleitung, die einem AbschnittFig. 2. a transmission line that has a section
eines Tores des Zirkulators nach Fig. 1 für abklingende H-Wellen identisch ist,of a gate of the circulator according to FIG. 1 is identical for decaying H waves,
Fig. 5 einen Hohlleiter-Zirkulator mit drei im Querschnitt rechteckförmigen Toren, deren Innenseitenwände mit ferromagnetischem Material bedeckt sind,5 shows a waveguide circulator with three gates which are rectangular in cross section and their inner side walls are covered with ferromagnetic material,
Fig. 6 die wirksame Permeabilität in Abhängigkeit der Frequenz bei quermagnetisierten Ferriten,6 shows the effective permeability as a function of the frequency in the case of transversely magnetized ferrites,
Fig. 7 den Querschnitt eines Abschnittes, dessen Seitenwände ferromagnetische Streifen tragen, und7 shows the cross section of a section, the side walls of which carry ferromagnetic strips, and
Fig. 8 die Durchgangsdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz für einen Hohlleiter-Ab schnitt, dessen Seitenwände mit Ferritstreifen belegt sind, im Bereich der Grenzfrequenz bei verschieden großer Gleichstrom-Feldstärke.Fig. 8 shows the transmission loss as a function of the frequency for a waveguide section from whose Side walls are covered with ferrite strips, in the range of the cutoff frequency at different sizes DC field strength.
009887/1260009887/1260
R. F. Skedd - 2 - 3 -R. F. Skedd - 2 - 3 -
Fig. 1 zeigt einen Zirkulator mit drei Toren und einem zentralen Hohlraumresonator 1, der ferromagnetisches Material 2 enthält. Das ferromagnetische Material ist einem Gleichstrom-Magnetfeld H- in der angezeigten Richtung ausgesetzt, um eine Zirkulation entgegen dem Uhrzeigersinn zu erhalten.Fig. 1 shows a circulator with three ports and a central one Cavity resonator 1 containing ferromagnetic material 2. The ferromagnetic material is a direct current magnetic field H- exposed in the indicated direction to a circulation counterclockwise to get.
Die drei Tore 4 des Zirkulators sind im Aufbau und in der Wirkungsweise identisch. Jedes Tor besteht aus einem im Querschnitt rechteckförmigen Abschnitt eines Hohlleiters mit der Länge 2f und zwei kapazitiven Abgleichschrauben 6 und 7 auf der längsgerichteten Mittellinie der oberen,.breiteren Wand des Hohlleiters. Der Längsabstand zwischen den Schrauben 6 und 7 ist £und jede Schraube ist im Abstand von S/2 vom Mittelpunkt der Hohlleiter-Gesamtlänge angeordnet. Jede Schraube ragt in den zugeordneten Hohlleiter.The three gates 4 of the circulator are identical in structure and mode of operation. Each gate consists of a section of a waveguide with a rectangular cross-section and a length of 2f and two capacitive adjustment screws 6 and 7 on the longitudinal center line of the upper, wider wall of the waveguide. The longitudinal distance between screws 6 and 7 is £ and each screw is at a distance of S / 2 from the center point of the total length of the waveguide. Each screw protrudes into the associated waveguide.
Der rechteckförmige Querschnitt, d. h. die Höhe und die Weite, des Hohlleiters ist so ausgelegt, daß bei der Betriebsfrequenz des Zirkulators, das ist bei der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 1, die Grenzfrequenzen aller Hohlleiter-Längen 5 über der Betriebsfrequenz liegen. Bei einer Betriebsfrequenz von 4 GHz hat jede Länge 5 eine Höhe von 0, 4 Zoll und eine Weite von 0, 9 Zoll.The rectangular cross-section, i.e. H. the height and the width, des Waveguide is designed so that at the operating frequency of the circulator, that is at the resonance frequency of the cavity resonator 1, the cut-off frequencies of all waveguide lengths 5 are above the operating frequency. At an operating frequency of 4 GHz, each has length 5 is 0.4 inches high and 0.9 inches wide.
Nimmt man an, daß Energie mit der geforderten Betriebsfrequenz im Η-Mode am äußeren Ende des linken Eingangs-Tores 4 anliegt, dann sind alle Wellenarten in der Hohlleiter-Länge abklingend, da deren Grenzfrequenz über der Betriebsfrequenz liegt.Assume that energy is at the required operating frequency in Η-mode at the outer end of the left entrance gate 4, then all wave types decay in the waveguide length, since their cutoff frequency is above the operating frequency.
Bei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz zeigt ein Hohlleiter ein Verhalten, das allen mit Einzelelementen aufgebauten Filtern im Sperrbereich eigen ist. Der Wellenwiderstand ist reell im DurchlaßbereichAt frequencies below the cut-off frequency, a waveguide shows a Behavior that is characteristic of all filters built with individual elements in the restricted area. The wave resistance is real in the pass band
009887/1260009887/1260
und imaginär im Sperrbereich. and imaginary in the restricted area.
In Fig. 2 ist eine Übertragungsleitung gezeigt, die einem Abschnitt mit der Länge Idee Eingangs-Tores 4 entspricht. Dieser Abschnitt hat einen positiven imaginären Wellenwiderstand JZ und eine reelle Ausbreitungskonstante y . Für abklingende Η-Wellen stellt der Hohlleiter-Abschnitt eine reine Induktivität dar. Das Ersatzschaltbild für die Leitung nach Fig. 2 ist in Fig. 3 gezeigt, und zwar alsJf-Glied, dessen induktive Blindwiderstände eine Funktion von Z1, y und f/ sind. In FIG. 2, a transmission line is shown, which corresponds to a section having the length idea input gate. 4 This section has a positive imaginary wave resistance JZ and a real propagation constant y. Evanescent Η-waves, the waveguide portion is a pure inductance. The equivalent circuit diagram for the line according to Fig. 2 is shown in Fig. 3, namely alsJf-member, the inductive reactance is a function of Z 1 y, and f / are.
Wenn ein Hohlleiter-Abschnitt mit einem Kondensator C abgeschlossen When a waveguide section is terminated with a capacitor C.
wird, dessen kapazitiver Blindwiderstand X_ zum induktiven Blindem is the capacitive reactance X_ for inductive blind
widerstand des Abschnittes konjugiert ist, dann erfolgt verlustlose Energieübertragung durch den Abschnitt. Die Energieübertragung ist jedoch frequenzabhängig und der Abschnitt verhält sich wie ein Bandpaß-Filter. resistance of the section is conjugated, then lossless occurs Energy transfer through the section. However, the energy transfer is frequency-dependent and the section behaves like a bandpass filter.
Die Grenzfrequenzen f und f des Bandpaß-Filters sind: il f tanh 2 . yl . t The cutoff frequencies f and f of the bandpass filter are: il f tanh 2. y l. t
h zoi · «"Γ- c h z oi · «" Γ- c
2)2)
zol .2JT. cz ol .2JT. c
Die geometrische Mittenfrequenz f ■ rf, . f_ des Bandpaß-Filters wird dann:The geometric center frequency f ■ rf,. f_ of the bandpass filter is then:
0098Ö7/12600098Ö7 / 1260
R. F. Skedd - 2 - 5 -R. F. Skedd - 2 - 5 -
3)3)
2JT. Z01 . C2JT. Z 01 . C.
Die Bandbreite ist eine Funktion von y . Im idealen, verlustlosen Fall wird y . £, ■"*" cx=> und demzufolge tanh y . £, —^ coth y The bandwidth is a function of y. In the ideal, lossless case, y becomes. £, ■ "*" cx => and consequently tanh y. £, - ^ coth y
und die Bandbreite (f - f ) —ψ- ο. and the bandwidth (f - f ) - ψ- ο.
1.1. CiCi
Das Eingangs-Tor verhält sich wie ein Bandpaß-FiIter mit zwei Abschnitten, bei dem der erforderliche Wert der Kapazität für jeden Abschnitt zur konjugierten Anpassung an die Induktivität des betreffenden Abschnittes durch die kapazitiven Schrauben 6 und 7 des Eingangs-Tores eingestellt werden kann.The entrance gate behaves like a bandpass filter with two sections, where the required value of the capacitance for each section for conjugate adaptation to the inductance of the relevant Section can be adjusted by the capacitive screws 6 and 7 of the entrance gate.
Aus diesem Grunde wird über das Eingangs-Tor zum zentralen Hohlraumresonator und nach einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn zum benachbarten Tor eine verlustlose Energieübertragung ausgeführt. Auch im Aus gangs-Tor kann auf die gleiche Weise eine verlustlose Energieübertragung erreicht werden.For this reason, the entrance gate becomes the central cavity resonator and after a counter-clockwise rotation to the neighboring gate, a lossless energy transfer is carried out. In the same way, energy transfer without loss can also be achieved in the exit gate.
Fig. 4 zeigt die Leistungsgrößen eines Hohlleiter-Zirkulators nach Fig. 1, der Abschnitte mit rechteckförmigem Querschnitt mit den Innenabmessungen 0, 622 Zoll χ 0, 40 Zoll, kapazitive Abgleichschrauben 8 B. A. und einen Ferritkörper mit 0, 32 Zoll im Durchmesser und 0, 40 Zoll in der Länge aufweist.Fig. 4 shows the performance levels of a waveguide circulator Fig. 1, of the rectangular cross-section sections with inner dimensions 0.622 inches χ 0.40 inches, capacitive adjustment screws 8 B.A. and has a ferrite body 0.32 inches in diameter and 0.40 inches in length.
Die Wirkungsweise des Zirkulators ist normal, wenn zur Energieübertragung von einem Eingangs-Tor zu einem benachbarten Ausgangs-Tor nur die Richtung verwendet wird, die durch das dem ferromagnetische Material zugeführte Magnetfeld bestimmt ist.The functioning of the circulator is normal when used for energy transfer from one entrance gate to an adjacent exit gate only the direction used by the ferromagnetic Material supplied magnetic field is determined.
Üiu Anv/ffidung einos Zirkulator» ist ebenfalls normal, wenn einExercising a circulator is also normal when a
- 6 - BAD ORIGINAL- 6 - ORIGINAL BATHROOM
R. F. Skedd - 2 - 6 -R. F. Skedd - 2 - 6 -
Tor mit einer Antenne, ein Tor mit einem Mikrowellen-Rundfunksender und ein Tor mit einem Mikrowellen-Rundfunkempfänger gekoppelt wird.Gate is coupled with an antenna, a gate with a microwave radio transmitter and a gate with a microwave radio receiver.
Die Energieübertragung außerhalb des Zirkulators kann über normale Ausbreitungs-Hohlleiter ausgeführt werden. Dabei ist an jedem Übergang von einem Hohlleiter, der unterhalb seiner Grenzfrequenz betrieben wird, und dem größer ausgelegten Ausbreitungs-Hohlleiter eine weitere kapazitive Abgleichschraube zur Anpassung vorgesehen. Davon abweichend kann der Zirkulator auch in ein Mikrowellen-System eingekoppelt werden, das nur aus Hohlleitern besteht, die unterhalb der Grenzfrequenz betrieben werden.The energy transfer outside the circulator can be via normal Propagation waveguides are carried out. At each transition there is a waveguide, which is operated below its cut-off frequency, and the larger-sized propagation waveguide another capacitive adjustment screw is provided for adjustment. Notwithstanding this, the circulator can also be used in a microwave system be coupled, which consists only of waveguides, the underneath the cut-off frequency.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführung eines Zirkulators mit drei Toren, bei dem gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen tragen, wie beim Zirkulator nach Fig. 1. Jedes Tor verhält sich hier wie ein Bandpaß-Filter aus Hohlleitern, die unterhalb der Grenzfrequenz betrieben werden, bei dem bei der Betriebsfrequenz verlustlose Energieübertragung stattfindet.Fig. 5 shows another embodiment of a three port circulator, in which the same elements have the same reference numerals as in the circulator according to FIG. 1. Each port here behaves like a band-pass filter made of waveguides which are operated below the cutoff frequency in which lossless energy transfer takes place at the operating frequency.
Jedes Tor 4 ist als Hohlleiter aufgebaut, dessen Höhe und Weite auf die Ausbreitung der Betriebsfrequenz abgestimmt sind. Jedes Tor enthält Belastungsstreifen 8 aus ferromagnetischem Material, z. B. * Ferrit oder Granat. Diese Belastungsstreifen sind symmetrisch an allen Seitenwänden angebracht und einem Gleichstrom-Magnetfeld H-, ausgesetzt.Each gate 4 is constructed as a waveguide, its height and width on the spread of the operating frequency are matched. Each gate contains loading strips 8 made of ferromagnetic material, e.g. B. * Ferrite or garnet. These stress strips are symmetrically attached to all side walls and have a direct current magnetic field H-, exposed.
Es steht fest, daß mit quer magnetisierten Ferrit en in einem rechteckförmigen Hohlleiter (H - Mode) die Grenzfrequenz durch ein Gleichstrom-Magnetfeld gesteuert werden kann. Die GrenzfrequenzIt is certain that with transversely magnetized ferrite s in a rectangular waveguide (H - mode) the cutoff frequency by a DC magnetic field can be controlled. The cutoff frequency
009887/U60009887 / U60
H.F.S.cead-2 -7- 200858AH.F.S.cead-2 -7- 200858A
kann kleiner und größer gemacht werden, als bei einem Hohlleiter ohne diese Streifen. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß die wirksame Permeabilität AjU eines Ferriten durch ein Gleichstrom-Magnetfeld von positiven auf negative Werte geändert werden kann.can be made smaller and larger than a waveguide without these strips. This is a consequence of the fact that the effective permeability AjU of a ferrite can be changed from positive to negative values by a direct current magnetic field.
c^oc ^ o
frequenz und U9die gyromagnetische Resonanz für das unendlich kleine Ferritmedium bedeuten. Bei (Ug, > O ist das RF-FeId im Ferriten konzentriert, während bei (U.>C O die RF-Energie vom Ferriten ausgeschlossen wird, so daß die wirksame Weite des Hohlleiters reduziert wird. Dieser Effekt ist in Fig. 7 erläutert.frequency and U9 mean the gyromagnetic resonance for the infinitely small ferrite medium. With (Ug,> O the RF field is concentrated in the ferrite, while with (U.> C O the RF energy is excluded from the ferrite, so that the effective width of the waveguide is reduced. This effect is illustrated in FIG .
In jedem Tor des Zirkulators nach Fig. 5 werden auf Grund des angelegten Magnetfeldes die Hohlleiter-Längen unterhalb der Grenzfrequenz betrieben. Diese Bedingung ist in Fig. 8 dargestellt, wobei gezeigt ist, daß die Grenzfrequenz jedes Tores von der Größe des Gleichstrom-Magnetfeldes abhängig ist. Das Magnetfeld kann verändert werden. Wird ein Permanentmagnet verwendet, dann sind die Magnetpole verstellbar. Beim Einsatz eines Elektromagneten ist der Strom einstellbar.In each port of the circulator according to FIG. 5, due to the applied magnetic field, the waveguide lengths operated below the cutoff frequency. This condition is illustrated in Fig. 8, where it is shown that the cutoff frequency of each goal depends on the size of the DC magnetic field is dependent. The magnetic field can be changed. If a permanent magnet is used, then are the magnetic poles adjustable. When using an electromagnet, the current can be adjusted.
Jedes Tor des Zirkulators ist durch Änderung des Magnetfeldes in der Frequenz abgleichbar. Eine Verstärkung des Magnetfeldes führt zu einer Erhöhung der Frequenz und eine Schwächung des Magnetfeldes zu einer Reduzierung der Frequenz.Each port of the circulator is by changing the magnetic field in the frequency can be adjusted. A strengthening of the magnetic field leads to an increase in the frequency and a weakening of the magnetic field leads to a reduction in the frequency.
Da die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 1 durch das Magnetfeld veränderbar ist, ist der Zirkulator in der Frequenz einstellbar.Since the resonance frequency of the cavity resonator 1 can be changed by the magnetic field, the frequency of the circulator can be adjusted.
Der Zirkulator kann auch mit Hohlleiter-Toren aufgebaut werden, die quadratischen oder runden Querschnitt aufweisen.The circulator can also be built with waveguide gates, which have a square or round cross-section.
R. F. Skedd - 2 - 8 -R. F. Skedd - 2 - 8 -
Bei den Zirkulatoren nach Fig. 1 und Fig. 5 kann jedes Tor einen, drei oder mehr Abschnitte aufweisen, die alle eine einzige Abgleichschraube tragen.In the circulators of Figures 1 and 5, each port can have one, three, or more sections, all of which have a single alignment screw wear.
Bei beiden beschriebenen Zirkulatoren können die kapazitiven Schrauben auch durch andersartige kapazitive Abgleichmittel, wie z. B. einstellbare kapazitive Membranen, ersetzt werden.In both circulators described, the capacitive screws can also by other types of capacitive balancing means, such as z. B. adjustable capacitive diaphragms are replaced.
Die beschriebenen Zirkulatoren weisen eine wesentlich breitere Frequenzband-Ausnützung auf, wie konventionelle (zerstreuende) Hohlleiter-Zirkulatoren. Dies rührt daher, da sich die unterhalb der Grenzfrequenz betriebenen Tore wie Leitungen verhalten, die aus Einzelelementen aufgebaut sind.The circulators described have a much wider frequency band utilization than conventional (dispersive) waveguide circulators. This is because the gates operated below the cut-off frequency behave like cables made up of individual elements.
11 Patentansprüche11 claims
3 Bl. Zeichnungen, 8 Fig.3 sheets of drawings, 8 figs.
009887/1260009887/1260
Claims (11)
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