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Nichtresiproker Vierpol Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtreziproken
Vierpol, insbesondere .für den Frequenzbereich der Meter- und Dezimeterwellen, bestehend
aus einer unter dem Einfluß eines magnetischen Gleichfeldes stehenden Scheibe aus
gytomagnetischem Material und zwei diese umschließende Spulen, deren Langsachsen
zumindest näherungsweise aufeinander senkrecht stehen.
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Bekanntlich wird unter einem nichtreziproken Vierpol eine Anordnung
verstanden, die elektromagnetische Energie in einer Richtung mit einem anderen Ubertragungsmaß
überträgt als in der entgegengesetzten Richtung. Dabei wird die Phase der in der
einen Richtung einfallenden Energie um einen bestimmten Winkelbetrag gedreht, während
die in der anderen Richtung einfallende elektromagnetische Energie die nichtreziproke
Anordnung mit einer anderen Phasendrehung durchläuft. Wenn die Dämpfungen für die
beiden Fortpflanzungsrichtungen sehr verschieden sind, d.h. bei nahezu verlustloser
Ubertragung in der einen Richtung und bei verhältnismäßig 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.
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Bei den zuletzt beschriebenen nichtreziproken Vierpolen wird in der
Regel das Resonanzverhalten gyromagnetischer Stoffe ausgenutzt. Der gyromagnetische
Stoff ist hierbei im Inneren eines Wellenleiters angeordnet und wird durch ein magnetisches
Gleichfeld mit Hilfe eines außerhalb des Wellenleiters angebrachten Magnetsystems
vormagnetisiert. Der nichtreziproke Charakter beruht auf der Eigenresonanz der Präzewionsbewegung
der magnetischen Momente des gyromagnetischen Materials. Nichtreziproke
Vierpole
wurden zunächst im Bereich der sehr kurzen elektromagnetischen Wellen, also im Bereich
der Mikrowellen bekannt, da nämlich für das Auftreten der gyromagnetischen Resonanz
das gyromagnetische Material an solchen Stellen des Wellenleiters angeordnet sein
muß, an denen die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes eine zirkulare
bzw. 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 zirkular polarisierte Anteile des
magnetischen Wechselfeldes vorhanden sind, ist es dort verhältnismäßig einfach,
Vierpole mit nichtreziprokem Oharakter zu realisieren. Will man jedoch im Bereich
der Meterwellen bzw. der längeren Dezimeterwellen solche nichtreziproke Vierpole
realisieren, dann treten hierbei zum Teil erhebliche Schwierigkeiten auf, die vor
allem darin zu sehen sind, daß Hohlleitungen im Bereich der Meterwellen außerordentlich
große Abmessungen annehmen und somit unhandlich und raumverbrauchend werden. Auch
bei Anordnungen in Koaxialbauweise wird wenigstens eine Ausdehnung verhältnismäßig
groß. Dabei muß durch Einfügen eines geeigneten iielektrikums in der Leitung dafür
gesorgt werden daß der TEd-Xode der Koaxialleitung so verzerrt wird, daß zirkular
polarisierte Komponenten des magnetischen Wechselfeldes auftreten. Bs kommt ferner
hinzu, daß der gyromagnetische Werkstoff solche Eigenschaften und eine solche Form
besitzen muß, daß die gyromagnetische Resonanzfrequenz hinreichend tief ist d,g,
also ebenfalls im Bereich der Meterwellen liegt Es ist durch einen Aufsatz in der
Zeitschrift ''Eleetronics" Sept. 1961, S 37-42, eine Richtungsleitung bekannt geworden,
bei der die eingangs erwähnten Schwierigkeiten hinsichtlich des Raumverbrauches
weitgehend behoben sind. Bei dieser
Richtungsleitungwerden um einc
aus Ferrit bestehende Scheibe zwei Spulen gewickelt, deren Längsachsen aufeinander
senkreicht stehen und die derart an die Eingangsleitung angeschlossen sind, daß
der Strom der einen Spule um 900 phasenverschoben ist gegenüber dem Strom der anderen
Spule. Bei dieser bekannten Richtungsleitung ist es erforderlich, die das hochfrequente
Drehfeld erzeugenden Spulen vollständig um die aus gyromagnetischem Material bestehende
Scheibe herumzuwickeln. Beim Betrieb wird die aus gyromagnetischem Material, wie
beispielsweise Ferrit, bestehende Scheibe durch Absorption der Welle erwärmt und
ändert dabei ihre Eigenschaften. Die Trägerkörper der Spulenwicklung und die Spulenwicklung
selbst verhindern dabei eine ausreichende Wärmeableitung aus dem Ferrit, so daß
derartige Richtungsleitungen meist nur bis zu Leistungen von 1 Watt brauchbar sind,
wenn dabei gleichzeitig gewährleistet sein soll, daß ihre Eigenschaften reproduzierbar
und zuverlässig erhalten bleiben sollen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwahnten Schwierigkeiten
in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen. Insbesondere soll erreicht werden,
daß die beim Betrieb der Richtungsleitung entstehende Wärme aus dem gyromagnetischen
Baterialrasch abgeführt werden kann, so daß derartige Richtungsleitungen auch für
den Betrieb bei größeren Leistungen brauchbar sind.
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Ausgehend von einem nichtreziproken Vierpol, insbesondere für den
Frequenzbereich der Meter- und Dezimetertellen, bestehend aus einer unter dem Einfluß
eines magnetischen Gleichfeldes stehenden Scheibe aus gyromagnetischem Material
und zwei diese umschließende Spulen, deren Längsachsen zumindest näherungsweise
aufeinander senkrecht stehen, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung in der Weise
gelöst, daß die beiden Halbspulen aus je zwei in der Art von gedruckten
Schaltungen
ausgebildeten Halbspulen bestehen, deren einzelne Windungen in Form von Leitungszügen
auf einem doppelseitig kaschierten Isolierstoffplättchen, z.B. aus Epoxydharz, aufgebracht
sind, und daß je ein derart doppelseitig kaschiertes Isolierstoffplättchen unter
Zwischenlage jeweils eines Scheibchens aus einem gut wärmeleitenden, verlustarmen
Material beidseitig auf der Scheibe aus gyromagnetischem Material aufliegend angeordnet
ist, und daß das von den Halbspulen gebildete Spulensystem unter Zwischenlage jeweils
einer Keramikscheibe innerhalb eines das magnetische Gleichfeld erzeugenden Permanentmagnetsystems
aus vorzugsweise beiderseits des Spulensystems angeordneten Magneten eingepreßt
angeordnet ist.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des nichtreziproken Vierpols wird
die Wärme aus dem Ferrit gut auf das Permanentmagnetsystem abgeführt, so daß das
Temperaturgefälle zwischen Ferrit und dem das Magnetfeld steuernden stark temperaturabhängigen
magnetischen Material sehr gering ist. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn
im Ferrit eine größere, nicht konstante Leistung absorbiert wird, z.B. dadurch,
daß die Eingangsreflexion der dem nichtreziproken Vierpol folgenden Schaltung stark
von der Temperatur und/oder Frequenz abhängt.
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Die Scheibe aus gyromagnetischem Material und die beiderseits angeordneten
Scheibehen aus einem gut wärmeleitenden9 verlustarmen Material sind vorteilhafterweise
in einem Rahmen gehalten, wobei durch den Rahmen hindurch mittels Durchkontaktierung
jeweils eine vollständige Spule bildende Leiterbahnen beider kaschierter Isolierstoffplättchen
elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dabei ist es auch vorteilhaft , wenn
die kaschierten Isolierstoffplättchen durch Klebefolien mit den Scheibchen aus gut
wärmeleitenden Material und dem Rahmen verbunden sind.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn zwischen den beiderseits des Spulensysteme
angeordneten Permanentmagneten und einem jeweiligen spulenseitig angeordneten Polschuh
ein stark temperaturabhängiges Material, z.B. TPhernoflU, angeordnet ist. Durch
das stark temperaturabhängige magnetische Material kann man das Permanentmagnetfeld
nachsteuern, um somit bei Erwärmung des Ferrite auftretende Änderungen der Sättigungsmagnetisierung
und damit der gyromagnetischen Resonanzfrequenz auszugleichen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungabeispieles
näher erläutert. Der Erfindungsgedanke wird dabei am Beispiel einer Resonangrichtungaleitung
verdeutlicht, jedoch ist er gleichermaßen auf andere nichtreziproke Bauteile, wie
beispielsweise einen nichtrasiproken Phasenschieber, anwendbar.
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Es zeigen Fig. 1 das elektrische Ersatzschaltbild des Spulensysteme
einer Resonansrichtungsleitung mit konzentrierten Bauelementen, Fig. 2 das Spulensystem
mit dazwischenliegendem Ferrit und beiderseits angeordneter Keramiksoheibe in einer
Explosivdarstellung und Fig. 7 die Richtungsleitung in einer Seitenansicht.
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Das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 1 zeigt einen elektrischen Vierpol,
in deseen Längszweig eine Spule Li und in dessen Querzweig eine Spule L2 liegen.
Der Eingang des einseitig geerdeten Vierpols ist mit E, der Ausgang mit A bezeichnet
und der Verbindungspunkt der beiden Spulen L1 und L2 mit 1.
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Die Spulen Li und L2 sind in der zu realisierenden Schaltung derart
anzuordnen, daß ihre Längsachsen aufeinander senkrecht stehen. Zwischen den Spulen
L1 und L2 liegt eine unter dem Einfluß eines magnetischen Gleichfeldes stehende
Scheibe
aus gyromagnetischem Material.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen den Aufbau des Spulen- - und Permanentmagnetsystems
der Resonanzrichtungsleitung. Das Spulensystem S ist aus zwei mit ihren Längsachsen
zumindest näherungsweise senkrecht aufeinanderstehenden Spulen aus Je zwei in der
Art von gedruckten Schaltungen ausgebildeten Halbspulen aufgebaut, deren einzelne
Windungen in Form von Leitungszügen auf einem Isolierstoffplättchen 2,3, z.B. aus
Epoxydharz, aufgebracht sind, und zwar derart, daß die eine Halbspule der ersten
Spule und eine Halbspule der zweiten Spule senkrecht zueinanderliegend auf der Vorder-
und Rückseite eines Isolierstoffplättchens aufgebracht sind, und daß die zweite
Halbspule der ersten Spule und die zweite Halbspule der zweiten Spule in entsprechender
Lage auf der RUck-und Vorderseite des zweiten Isolierstoffplättchens aufgebracht
sind. Je ein derart doppelseitig kaschiertes Isolierstoffplättchen ist unter Zwisohenlage
jeweils eines Scheibchens 4 aus einem gut wärmeleitenden, verlustarmen Material
beidseitig auf der Scheibe S aus g7roagnetischea Material, beispielsweise aus Ferrit
aufliegend angeordnet. Dabei sind die Scheibe 5 aus gvromagnetischei Material und
die beiderseits angeordneten Scheibchen 4 aus eine gut wärmeleitenden Material,
z.B. Quarz oder Aluminiuio- in einem Rahmen 6 gehalten, durch den hindurch mittels
Durchkontaktierung jeweils eine vollstänige Spule bildende Leiterbahnen beider kaschierter
Isolierstoffplättchen 2,3 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Bei der
elektrischen Kontaktierung der Halbspulen wird in vorteilhafter Weise die Mehrlagenverdrahtung
angewendet, Auf diese Weise lassen sich viele solcher Spulensysteie in einfacher
Weise gleichzeitig und sehr gleichmäßig fertigen. Die kaschierten Isolierstoffplättchen
2,3 werden vorteilhafterweise durch Klebefolien mit den Scheibehen 4 aus gut wärmeleitendem
Material und dem Rahmen verbunden.
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Beiderseits des Spulensystems S ist je eine Keramikscheibe 7,8 angeordnet,
an die sich jeweils ein Polschuh 9,10 und ein Permanentmagnet 11,12 zur Vormagnetisierug
des gyromagnetischen Materials anschließen. Zwischen dem Polschuh 9,10 und dem Permanentmagneten
11,12 ist jeweils eine Schicht 13,14 eines stark temperaturabhängigen magnetischen
Materials, z.B. Thermoflux, angeordnet, durch das das Permanentmagnetfeld nachgesteuert
werden kann. Auf diese Weise kann man die bei Erwärmung des Ferrits auftretende
Änderung der Sättigungsmagnetisierung und damit der gyromagnetischen Resonanzfrequenz
ausgleichen. Die beiden Systeme, nämlich das Spulensystem S und das Permanentmagnetsystem,
werden zusammengepreßt, so daß sich eine gute Wärmeleitung von dem innerhalb der
Spulen angeordneten Ferrit 5 auf das Permanentmagnetsystem ergibt und damit das
emperaturgefälle zwischen dem Ferrit 5 und dem das Magnetfeld steuernden magnetischen
Material 13,14 gering ist. Der magnetische Gleichfluß dieser Permanentmagnete 11,12
schließt sich über das mit 15 bezeichnete Winkeljoch, dessen einer Schenkel an dem
einen Magnet 12 anliegt und dem Joch 16, das sich an das Winkeljoch 15 unter Bildung
eines möglichst geringen Luftspaltes anschließt und auf dem anderen Magneten 11
aufliegt.
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4 Patentansprüche 3 Figuren