DE2014535A1

DE2014535A1 - Microwave phase shifter

Info

Publication number: DE2014535A1
Application number: DE19702014535
Authority: DE
Inventors: Norman Richard Willingboro N.J. Landry (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1969-03-27
Filing date: 1970-03-25
Publication date: 1970-11-19
Also published as: GB1295357A; US3555460A; JPS4830172B1

Description

RCA βθ,6θθ .RCA βθ, 6θθ.

U.S. Serial No. 810,955 , ■ -U.S. Serial No. 810.955, ■ -

U.S. Filing Date: March 27, 1969 "U.S. Filing Date: March 27, 1969 "

RCA Corporation, New York, N.Y. (V."St.A)RCA Corporation, New York , NY (V. "St.A)

MikrowellenphasenschieberMicrowave phase shifter

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenphasenschieber mit einem Wellenleiter und einem längs des Wellenleiters zentrülsch verlaufenden gyromagnetischen Toroid> dessen öffnung sich über seine eigene Länge erstreckt, ferner mit mindestens einem magnetisierenden Draht,dessen Enden an eine Impulsquelle anschließbar sind, und der durch die öffnung verläuft un.d sich durch die Länge des Toroids erstreckt, um es bei Anliegen eines Impulses von der Impulsquelle zu verriegeln. ..The invention relates to a microwave phase shifter with a Waveguide and one running centrally along the waveguide gyromagnetic toroid> whose opening extends over its own length extends, further with at least one magnetizing Wire, the ends of which can be connected to a pulse source, and which runs through the opening and runs the length of the Toroids extends to it upon application of an impulse from the To lock pulse source. ..

■ Mikrowellenphasenschieber sind weitverbreitet-, beispielsweise für mit unterschiedlicher Phasenverteilung angesteuerte, mehrteilige Antennen. Bei solchen Anwendungefallen möchte man den Phasenschieber auf unterschiedliche Phasenwinkel einstellen können. Ein brauchbarer Weg zur Einstellung des Phasenwinkels be- ; steht darin, einen magnet.isierenden Draht durch die öffnung eines^■ Microwave phase shifters are widely used, for example for multi-part antennas controlled with different phase distribution. In such applications one would like to fall Can adjust phase shifter to different phase angles. A useful way to adjust the phase angle is loading; stands in it, a magnetizing wire through the opening of a ^

Toroids aus gyromagnetischem Material, welcher In der Mitte einesj ·-■-■· i Toroids made of gyromagnetic material, which in the middle of aj · - ■ - ■ · i

Wellenleiters angeordnet ist und sich länge durch diesen erstreckt, zuführen. Unter gyromagnetischeriKMaterial sei ferromagnetisches und ferrimagnetisches Material verstanden, welches gyromagnetische Resonanzerscheinungen zeigt. Eine vollständigere Beschreibung solcher Materialien findet sich in den Kapiteln 1 und 2 des Buches "Microwave Ferrites and Ferrimagnetics" von j Lax und Button, des Verlages McGraw-Hill.Waveguide is arranged and extends lengthwise through this, respectively. Under gyromagnetic material is ferromagnetic and understood ferrimagnetic material showing gyromagnetic resonance phenomena. A more complete one A description of such materials can be found in chapters 1 and 2 of the book "Microwave Ferrites and Ferrimagnetics" by j Lax and Button, from McGraw-Hill.

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Eine Schwierigkeit bei derartigen Phasenschiebern bestand darin, daß im gewünschten Betriebsfrequenzbereich schmale, nadeiförmige Einbrüche in den Einführungsverlusten und im Stehwellenverhältnus auftraten. Diese Einbrüche sind bedingt durch das Entstehen und die Fortleitung von Schwingungsformen höherer Ordnung bei verschiedenen Resonanzfrequenzen im Wellenleiter. Hierbei wirkt der Toroidabschnitt als Hohlraum, so daß durch diese Einbrüche eine beträchtliche Energie absorbiert wird.A difficulty with such phase shifters was that in the desired operating frequency range narrow, needle-shaped There were drops in insertion losses and in the standing wave ratio. These slumps are caused by the emergence and the propagation of higher order waveforms at different resonance frequencies in the waveguide. This works the toroidal section as a cavity, so that a considerable amount of energy is absorbed by these notches.

Die Aufgabe der Erföndung besteht in der Vermeidung dieser Nachtelle. Sie wird bei einem Mikrowellenphasenschieber mit einem Wellenleiter und einem längs des Wellenleiters zentrisch verlaufenden gyromagnetischen Toroid, dessen Öffnung sich über seine eigene Länge erstreckt, ferner mit mindestens einem magnetisierenden Draht, dessen Enden an eine Impulsquelle anschließbar sind und der durch die Öffnung verläuft und sich durch die Länge des Toroids erstreckt, um es bei Anliegen eines Impulses von der Impulsquelle zu verriegeln, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der magnetisierende Draht von einem spiralförmigen Draht umgeben ist.The task of the invention is to avoid this disadvantage. In the case of a microwave phase shifter, it is with one waveguide and one running centrally along the waveguide gyromagnetic toroid, the opening of which extends over its own length extends, further with at least one magnetizing wire, the ends of which can be connected to a pulse source and which passes through the opening and extends the length of the toroid to open it upon application of a pulse from the To lock pulse source, according to the invention achieved in that the magnetizing wire surrounded by a spiral wire is.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the representations of an exemplary embodiment. It shows

Fig. 1 eine perspectivische Ansicht eines nach der Erfindung aufgebauten Phasenschiebers ■1 shows a perspective view of a phase shifter constructed according to the invention

Fig. 2 das Stehwellenverhältnis über der Frequenz des in Figur 1 dargestellten Phasenschiebers jedoch ohne den spiralförmigen DrahtFIG. 2 shows the standing wave ratio over the frequency of the phase shifter shown in FIG. 1, but without the spiral-shaped one wire

Fig. 2 die Einführungsverluste über der Frequenz für den in Figur 1 dargestellten Phasenschieber, ebenfalls ohne den spiralförmigen DrahtFig. 2 shows the introduction losses versus frequency for the in Figure 1 shown phase shifter, also without the spiral wire

Fig. 4 und 5 die entsprechenden Kurven des in Figur 1 dargestellten Phasenschiebers mit dem spiralförmigen Draht.4 and 5 the corresponding curves of that shown in FIG Phase shifter with the spiral wire.

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Figur 1. zeigt einen rechteckigen Wellenleiter 10 mit breiten Wandungen 12 und 13 und schmalen Wandungen 14 und 15. Zentrisch zwischen den schmalen Wandungen 14 und 15 verläuft ein rechteckiger Ferrittoroid 20 längs eines Teils der Länge des Wellenleiters 10. Der Toroid 20 hat eine rechteckige Längsöffnung 21, die vorzugsweise mit einem geeigneten dielektrischen Material gefüllt ist, beispielsweise mit Magnesiumtitanatdielektrikum, wie es unter der Bezeichnung D-16 von der Firma Trans-Tech, Inc., Gathersbur, Maryland hergestellt wird. Das dielektrische Material 22 dient der Zentrierung zweier magnetisierender Drähte 23, 24 innerhalb des Totoids 20 über dessen Länge. Der Drät 23 ist mit beiden Enden an eine Impulsquelle 25 angeschlossen, welche Impulse in einer Richtung durch den Toroid 20 fließen läßt, um ihn in einer Richtung zu verriegeln, so daß beispielsweise eine in Pfeilrichtung JO durch den Wellenleiter 10 laufende elektromagnetische Welle in ihrer Phase um 90° verschoben wird. Der Draht 24 ist mit einer Impulsquelle 26 verbunden, welche mit Hilfe eines Impulses den Toroid 20 in entgegengesetztem Sinne verriegelt, so daß für in Pfeilrichtung 30 laufende elektromagnetische Wellen die Phasenverschiebung Null sich ergibt.Figure 1 shows a rectangular waveguide 10 with wide Walls 12 and 13 and narrow walls 14 and 15. Centric a rectangular one runs between the narrow walls 14 and 15 Ferrite toroid 20 along part of the length of the waveguide 10. The toroid 20 has a rectangular longitudinal opening 21, which is preferably filled with a suitable dielectric material, for example with magnesium titanate dielectric, as manufactured under the designation D-16 by Trans-Tech, Inc. of Gathersbur, Maryland. The dielectric material 22 is used to center two magnetizing wires 23, 24 within the totoid 20 over its length. The Drät 23 is with both ends connected to a pulse source 25, which pulses can flow in one direction through the toroid 20 to lock it in one direction so that, for example, an in Arrow direction JO through the waveguide 10 running electromagnetic Wave is shifted in phase by 90 °. The wire 24 is connected to a pulse source 26, which with the help a pulse locks the toroid 20 in the opposite direction, so that for current in the direction of arrow 30 electromagnetic Waves the phase shift is zero.

Bei einer bestimmten Ausführungsrorm kann auch nur eine einzige Impulsquelle und ein einziger magnetisierender Draht verwendet werden, wobei ein Impuls in einer Richtung von der Impulsquelle zur Verriegelung des Toroids 20 in einem Sinne bewirkt wird. Ein ■ Impuls der entgegengesetzten Richtung von der Impulsquelle dient \ der Vorspannung des Toroids 20 im entgegengesetzten Sinne. Bei Verwendung nur eines Drahtes für die Impulsleitung und Verriegelung des Toroides 20 kann aber auch ein zweiter Draht zur Abnahme! eines Kontrollsignals verwendet werden, beispielsweise im Fall ; einer Linearflußsteuerschaltung, wie sie in der US Patentanmeldung 689 036 von Johnson, Tomsic und Goodrich beschrieben ist.In a particular embodiment, only a single pulse source and magnetizing wire may be used, with a unidirectional pulse being effected by the pulse source to lock the toroid 20 in one sense. ■ a pulse of the opposite direction from the pulse source is \ the bias of the toroid 20 in the opposite sense. If only one wire is used for the impulse line and locking of the toroid 20, a second wire can also be used for removal! a control signal can be used, for example in the case; a linear flow control circuit such as that described in US Pat. No. 6,890,036 to Johnson, Tomsic and Goodrich.

Für den Betrieb des Phasenschiebers sei angenommen, daß die magnet isierenden Drähte 23 und 24 beispielsweise einen längs verlau-For the operation of the phase shifter it is assumed that the magnet isolating wires 23 and 24, for example a longitudinally

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fenden Hochfrequenzstrom bei Anlegen einer elektromagnetischen Welle in Pfeilrichtung JO oder 3I an den Wellenleiter 10 führen. Dadurch wirken die Drähte 23 und 24 wie Antennen', indan sie unerwünschte, höhere Schwingungsformen in den Hohlraum des Toroids 20 und den durch den Ferrit belasteten Wellenleiter 10 einkoppeln. Mikrowellenversuche, welche ohne die Drähte 23 und 24 im Toroid 20 durchgeführt worden sind, haben gezeigt, daß nur kleine Einbrüche des Stehwellenverhältnisses entstehen. Wenn die längs verlaufenden, magnetisierenden Drähte einfach innerhalb des Toroids 20 gemäß Figur 1 angeordnet werden, dann sind die nadeiförmigen höheren Schwingungsformen sehr groß und lassen sich nicht auf einen ausreichend kleinen Pegel dämpfen. Figur 2 zeigt eine Darstellung des Stehwellenverhältnisses über der Frequenz für einen Phasenschieber, wie er in Figur 1 dargestellt ist, für den Frequenzbereich zwischen 2,7 und 3,8 GHz für diesen Zustand. In Figur 3 ist die Größe der EinführungsVerluste in dB über der Frequenz in GHz für einen Phasenschieber gemäß Figur 1 für den gleichen Frequenzbereich wie Figur 2 dargestellt, welche die Wirkung der Erzeugung unerwünschter Schwingungsformen veranschaulicht. Fenden high-frequency current when an electromagnetic wave is applied to the waveguide 10 in the direction of the arrow JO or 3I. As a result, the wires 23 and 24 act like antennas, in that they couple undesired, higher waveforms into the cavity of the toroid 20 and the waveguide 10 which is loaded by the ferrite. Microwave tests which have been carried out without the wires 23 and 24 in the toroid 20 have shown that only small drops in the standing wave ratio occur. If the longitudinally extending, magnetizing wires are simply arranged within the toroid 20 according to FIG. 1, then the needle-shaped higher waveforms are very large and cannot be attenuated to a sufficiently small level. FIG. 2 shows a representation of the standing wave ratio over the frequency for a phase shifter, as shown in FIG. 1, for the frequency range between 2.7 and 3.8 GHz for this state. FIG. 3 shows the size of the introduction losses in dB over the frequency in GHz for a phase shifter according to FIG. 1 for the same frequency range as FIG. 2, which illustrates the effect of generating undesired waveforms.

Die unerwünschten Einbrüche lassen sich beseitigen, wenn man um die magnetisierenden Drähte 23 und 24 einen dünnen Draht 35 spiralförmig herumwickelt, dessen Durchmesser zwischen 0,0125 und 0,25 mm betragen kann und der mit einer Steigung von 10 bis 50 Windungen pro Zoll Länge des magnetisferenden Drahtes gewickelt ist. Der spiralförmig gewickelte Draht 35 umgibt den oder die \ magnetisierenden Drähte über die Länge des Toroids 20. Dann muß jeder Hochfrequenzstrom wegen des Skineffektes im Spiraldraht 35 fließen, so daß die Längskoppelströme minimal werden. Auch die größere Induktivität der Spirale hilft die unerwünsohten Hochfrequenzströme zu unterdrücken. Durch die Anwendung des spiralförmig gewickelten Drahtes 35 gemäß Figur 1 werden die Nadeln im Verlauf der Kennlinien praktisch ausgeschaltet, wie Figur 4 erkennen läßt. Dadurch werden die Phasenschieber der dargestellten The unwanted break-ins can be eliminated by winding a thin wire 35 around the magnetizing wires 23 and 24 in a spiral, the diameter of which can be between 0.0125 and 0.25 mm and which has a pitch of 10 to 50 turns per inch of length magnetizing wire is wound. The helically wound wire 35 surrounds the or \ magnetizing wires over the length of the toroid 20. Then, each of high-frequency current must flow due to the skin effect in the spiral wire 35, so that the longitudinal coupling currents are minimal. The higher inductance of the spiral also helps to suppress the unwanted high-frequency currents. By using the spirally wound wire 35 according to FIG. 1, the needles are practically switched off in the course of the characteristic curves, as FIG. 4 shows. This changes the phase shifters to that shown

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Art mit einem Toroid und sich durch dessen öffnung erstreckenden magnetisierenden Drähten in ihrer Brauchbarkeit wesentlich verbessert. Figur 4 zeigt das verbesserte Stehwellenverhätnis über der Frequenz bei niedrigem Signalpegel für einen Phasenschieber mit dem erfindungsgemäßen Spiraldraht im selben Frequenzbereich wie die Figuren 2 und ^. Figur 5 zeigt das verbesserte Einführungsverlustverhalten über 'der Frequenz für den Phasenschieber, mit
dem Spiraldraht.Art with a toroid and magnetizing wires extending through the opening thereof are significantly improved in their usefulness. FIG. 4 shows the improved standing wave ratio versus frequency at a low signal level for a phase shifter with the spiral wire according to the invention in the same frequency range as FIGS. 2 and 3. Figure 5 shows the improved insertion loss behavior versus frequency for the phase shifter, with
the spiral wire.

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Claims

ίl ^ y microwave phase shifter with a waveguide and a gyromagnetic toroid running centrally along the waveguide, the opening of which extends over its own length, furthermore with at least one magnetizing wire, the ends of which can be connected to a pulse source and which runs through the opening and extends through the length of the toroid to it to be biased when a pulse from the pulse source is applied, characterized in that the magnetizing Wire (2 ^ * 24) surrounded by a spiral wire (35) is.

2. Phase shifter according to claim 1, characterized in that the diameter of the spiral wire is between 1'2.5 and 250 / u.

^. Phase shifter according to Claim 1 or 2, characterized in that that the spiral wire has a pitch in the direction of the magnetizing wire from 10 to 50 Turns per inch around the magnetizing wire.

4. Phase shifter according to claim ~ 5, characterized in that the waveguide (LO) has a rectangular cross section and that the toroid (20) is arranged centrally between the narrow walls (14,15) of the waveguide.

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