DE2226509A1

DE2226509A1 - Breitbandzirkulator

Info

Publication number: DE2226509A1
Application number: DE19722226509
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr Schiefer
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1972-05-31
Filing date: 1972-05-31
Publication date: 1973-12-13
Also published as: DE2226509B2; DE2226509C3

Description

Breitbandzirkulator Die Erfindung bezieht sich auf einen. Breitbandzirkulator, insbesondere für den Frequenzbereich oberhalb 10 MHz, bestehend u.a. aus einem Verkopplungsraum, in dem beidseitig der Leiterbahnen Mikrowellenferritscheiben und außerhalb des Verkopplungsraumes axia.l zu den MikrowellenCelnrjtscheiben Dauermagnetscheiben sowi.e weichmagnetische Polscheiben und ferner Ferrite zur Temperaturkompensation (Kompensationsferrite) und ein weichmagnetischer Eisenrückschluß angeordnet sind.
Zirkulatoren ähnlicher Art sind aus zahlreichen Veröffentlichungen bekannt, z.B. mit einer Paralleischaltung des Mikrowellen- mit dem Wompen.sationsferrit aus der US-PS 3 452 298, DT-PS 2 045 775, 1 280 354, 1 146 147. Die Mikrowellenferrite waren bisher im wesentlichen in Zirkulatoren im GHz-Bereich eingesetzt. Auf den Aufbau eines Zirkulators braucht nur in kurzen Zügen einem gangen zu werden, und es soll nachfolgend der wesentliche Unter schied zwischen dem bekannten und dem neuen Zirkulator nach der Erfindung herausgestellt werden.
Bei den bekannten Zirkulatoren ist z.B. bei einer Frequenz von f = 1 GHz durch die sehr nahe am Mikrowellenferrit angeordneten Dauermagnete ein verhältnismäßig großes inneres Feld in dem Mi.krowellenferrit aufbringbar. Dieses Feld weist z,B, eine Stärke von 350 Oerstedt auf. Um einen Zirkulator, dabei braucht es sich nicht um einen Breitbandzirkulator zu handeln, mit einer Temperaturkompensation auszurüsten, ist es bekannt, durch Auswahl der Werkstoffe für den Mikrowellenferrit und das aktive Magnetmaterial, nämlich den Dauermagneten, ein Feld zu erhalten, das im Inneren des Mikrowellenferrites höchstens um + 10 % seines Wertes bei 20 C im interessierenden Temperaturbereich schwankt. Zwecks Vermeidung der unangenehmen, nie vollständig zu verhindernden Streuflüsse, ist es bekannt, das aktive Magnetmaterial, nämlich den Dauermagneten, sehr nahe an dem Mikrowellenferrit anzuordnen, und zwar z.B. lediglich unter Zwischenschaltung einer dünnen Scheibe, die den sogenannten Kompensationsferriten darstellt (Beispiel:Scheiben-Durchmesser 60 mm, Scheibenstärke 1 mm).
Kompensationsferrite und ihre Eigenschaften sind ebenfalls bekannt, und zwar insbesondere ihr Temperaturgang, Die Ausbildung eines sogenannten breitbandigen Zirkulators, kurz Breitbandzirkulator genannt, bei~niedrigen Frequenzen, z.B. für eine Betriebsfrequenz von f = 100 MMz, , ist unvergleichbar schwieriger als eine Anordnung bei der oben genannten Frequenz von f = 1 GEIz, weil nämlich bei dieser niedrigeren Frequenz ein inneres statisches Magnetfeld im Mikrowellenferrit in der Größenordnung von nur 50 Oerstedt benötigt wird. Aufgrund dieses kleinen Wertes ist es äußerst schwierig, in einem größeren Temperaturbereich Feldstarkeschwari1ngen - 10 °S, also # 5 Oerstedt, zu erhalten.
Breithandzirkulatoren werden also mit relativ kleinen inneren Polari sationsfeldstärken Hi im Mikrowellenferrit betrieben.
Bei Änderung der Temperatur muß die Feldstärke Hi so gut wie möglich konstant gehalten werden, da eine Vergrößerung von Hi zur Abnahme der Bandbreite, eine Verringerung dagegen zur Zunahme der Verluste des Zirkulators führen amrde. Zur Erzeugung einer inneren Feldstärke Hi in einer flachen Scheibe ist entsprechend der Nagrie½ti sierungskennl ini e ein Magnetfeld B = 4 # Ms + Hi nötig. Da- die Sättigungsmagnetisierung 4 # Ms der durchweg verwendeten YIG-Werkstoffe mit ca. 1700 Gs etwa zwanzigmal so groß ist wie die gelfunschten Hi-Werte (50 . . ...100 Oe), so ist leicht zu erkennen, daß an die Konstanz des Magnetfeldes B sehr hohe Anforderungen gestellt werden müssen.
Die Aufgabe der Erfindung bestand also darin, einen Breibandzirkulator zu schaffen, der im Frequenzbereich etwa an der Unterseite des Mikrowellenbereiches noch eine wirksame Temperaturkompensation über einen verhältnismäßig großen Temperaturbereich von -40 bis +80 °C ermöglicht. Durch überschlägige Berechnungen konnten die Maße in etwa festgestellt werden, und aufgrund dieser Berechnung ergibt sich eine Lösung der genannten Aufgabe für einen Breitbandzirkulator der eingangs genannten Art nach der Erfindung dann, wenn zwecks Erweiterung des Temperaturbereiches durch entsprechende Beeinflussung der Temperaturabhängigkeit des inneren statischen Magnetfeldes in den Mikrowell.enferritscheiben auf den Mikrowellenferritscheiben, diese weit überragende, unmagnetische Außenleiterplatten, auf diesen weichmagnetische, einen etwas größeren Durchmesser als die Mikrowellenferritscheiben aufweisende erste Polscheiben, auf diesen Kompensationsferrite mit einem größten Querschnitt, der sich zum in Fluß richtung liegenden Querschnitt der ersten Polschei ben wie die Sättigungsmagnetisierung des Mikrowellenferrites zu der des Kompensationsferrites bei der tiefsten Temperatur verhält auf den Kompensationsferriten diese etwas überragende zweite weichmagnetische Polscheiben, auf diesen einen etwa gleichen Durchmesser wie die zweiten Polscheiben aufweisende Dauermagnetscheiben und auf diesen sich über den gesamten Zirkulator erstreckende, z.B. topf- oder bügelförmig ausgebildete, Eisenrückschlüsse angeordne-t sind.
Auch können die Mikrowellenferritscheiben aus einem sogenannten gyromagnetischen Werkstoff bestehen, dessen Sättigungsmagnetisierungs-Temperaturkennlinie in dem interessierenden Temperaturbereich eine Linear-Charakteristik und vorzugsweise eine geringe Steilheit aufweist. Die Außenleiterplatten können auch aus Kupfer, Aluminium oder Messing bestehen und die Polscheiben aus weichmagnetischem Stahl. Weiterhin können die Kompensationsferrite aus Ringen aus einem weichmagnetischem Werkstoff bestehen, deren relative Temperaturabhängigkeiten der Sättigungsmagnetisierungen erheblich über den relativen Temperaturabhängigkeiten der Sätigungsmagnetisierungen der Mikrowellenferritscheiben und der Dauermagnetscheiben liegt. Die Eisenrückschlüsse können aus einem topf- oder bügelförmigen Eisenrückschluß bestehen, der auf seinen den Dauermagnetscheiben zugewandten Seiten Je einen, den Dauermagnetscheiben angepaßten, etwa scheibenförmigen Ansatz aufweist. Weiterhin können um Jeden Kompensationsferriten ein ünmagnetischer Wärmeübertragungsring angeordnet sein.
Auch kann das Verhältnis der Stärken bzw. Dicken der Kompensationsferrite zu den Stärken bzw. Dicken der Dauermagnetscheiben derart gewählt sein, daß das innere statische Magnetfeld im Mikrowellenferrit in Flußrichtung mit steigender Temperatur linear und geringfügig abfällt.
Bei Einsatz eines derartigen Aufbaues ist es möglich, in dem oben angegebenen Temperaturbereich von -40 bis +800C das Feld im Inneren des Mikrowellenferrites praktisch konstant zu halten, d.h. die Xnderungen des Feldes sind z.B. 5- 5 Oerstedt, wenn das ganze Feld z.B. 50 Oerstedt beträgt.
Diese Konstanz wird im Temperaturbereich von -40 bis +80°C durch Einfügen eines Kompensationsferrites in den Dauermagnetkreis erreicht. Dabei muß die relative Abnahme der Sättigungsmagnetisierung des Kompensationswerkstoffes mit steigender Temperatur größer als die des Mikrowellenferrites sein. Von bereits bekannten Anordnungen dieser Art unterscheidet sich die hier vorgeschlagene Kompensation durch die extrem gute Konstanz der inneren Feldstärke bzw. des inneren statischen Magnetfeldes Hi (+ 3 Oe), die durch folgende Maßnahmen erreicht wird: 1. Der Kompensationswerkstoff muß bei der niedrigsten Betriebstemperatur noch voll gesättigt sein. Dies kann durch die Anordnung als Ring erreicht werden, dessen Querschnitt in einem bestimmten Verhältnis zur Polscheibengröße steht.
2. Der Kompensationswerkstoff muß zwischen Dauermagnet, und Polscheibe entsprechend der anliegenden Zeichnung angèord net sein. Nür so ist sichargestellt, daß der Mikrowellenferrit und der Kompensationswerkstoff vom selben magnetischen Fluß durchflossen werden.
3. Zwischen Dauermagnet und Eisenjoch muß ein bestimmter Ab stand eingehalten werden. Damit läßt sich der Einfluß der Streufelder auf die Konstanz kompensieren.
4. Der Durchmesser der Polscheiben muß etwa 20 /Oo größer als der der Ferritscheiben sein. Außerdem muß ein Mindestabstand zwischen den Ferriten und den Polscheiben eingehalten werden, damit die Ferritscheibe gleichmäßig magnetisiert wird.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeicklung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben: Die Zeichnung zeigt einen Schnitt. durch einen Zirkulator mit einem Schnitt durch einen Anschluß, während die anderen Anschlüsse nicht mitgezeichnet sind.
Eine Koaxialeingangsbuchse besteht aus einem geringförmigen Außenleiter 1 und einem Innenleiter 2, der an eine aus isolierendem Werkstoff bestehende sogenannte Printplatte angelötet Ist, wobei die stark ausgezeichneten Striche 4 die KupSer1raschierung auf dieser Printplatte darstellen sollen. Innerhalb des Verkopplungsraumes 5 sind Leiterbahnen 6 gebildet durch entsprechende Kupferstege auf dqr Printplatte 3. Diese Leiter bahnen gehen in an sich bekannter Weise bis an das Ende des Verkopplungsraumes 7 heran und sind dort miteinander verbunden. Die Verbindung des Innenleiters 2 mit den Leiterbahnen 6 erfolgt über konzentrierte Elemente, wie bei 8 angedeutet.
Symmetrisch zu der Printplatte 3 bzw. zu den Leiterbahnen 6, die sich alsoin der Mitte des Verkopplungsraumes 5 überschneiden and. an den Kreuzungspunkten gegeneinander isoliert sind, liegen auf der Printplatte 31 beidseitig in bekannter Weise die sogenannten Mikrowellenferritscheiben. Diese bestehen aus einem sogenannten gyroma.gnetischen Werkstoff mit einer besonderen Zusammensetzung. Z.B. in dem Fall der Erfindung soll dieser Werkstoff eine Sättigungsmagnetisierungs-Temperaturkernlinie in dem interessierenden Temperaturbereich aufweisen, die vor allen Dingen eine lineare Charakteristik haben muß. Stehen weitere Werkstoffe zurAuswahl, die ebenfalls eine lineare Charakteristik aufweisen, so ist der Werkstoff am besten geeignet, dessen Kennlinie die geringste Steilheit im interessierenden Temperaturbereich zeigt.
Auf diesen Mikrowellenferritscheiben 9 liegen die sogenannten aus unmagnetischem Werkstoff bestehenden Außenleiterplatten 10 auf, die die Mikrowellenferritscheiben 9 weit überragen und auch außerhalbdes Scheibenbereiches bis an die Printplatte, z.B. im Bereich bei 11, herangeführt sind und die gesamte Höhe des Breitbandzirkulators ausfüllen. Sie können Ausnehmungen aufweisen, wie bei 12,, damit die Anschlußelemente, also die konzentrierten Elemente 8, die die Verbindung zwischen dem Innenleiter 2 und den Leiterbahnen 6 herstellen, Platz finden.
Weiterhin können diese Außenleiterplatten auch Ausnehmungen aufweisen, wie bei 13 gezeigt, hier zwecks Aufnahme weiterer Bauteile für den magnetischen Kreis. In dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Außenleiterplatten an sich keine eigentlichen Platten mehr, denn für en magnetischen Kreis und in bezug auf diese Erfindung ist nur der Bereich der Teile 10 interessant, der im Flußbereich des magnetischen Flusses, also oberhalb und unterhalb der Mikrowellenferritscheiben 9 und in den angrenzenden Gebieten, in denen der Streufluß noch eine gewisse Große aufweist, liegt, Die Außenleiterplatten 10 können aus Kupfer, Aluminium oder Massing bestehen.
In den oben genannten Hohlrämen 13 liegen nun in Flußrichn tung des magnetischen Flusses sogenannte erste Polscheiben 14, deren Durchmesser etwas größer als der der Mikrowellenferritscheiben 9 ist, die aus weichmagnetischem Stahl bestehen. Auf diesen ersten Polscheiben 14 sind' nun beispielsnfeiNe. Kompensationsferritringe 15 angeordnet, und der mittlere Durchmesser dieser Kompensationsferritringe kann etwa gleich dem halben # oder zweidrittel des Durchmessers der ersten Polscheiben 14 sein.
Die Kompensationsferritringe 15 bestehen aus einet weichmagnetischen Werkstoff, deren Temperaturabhäng.zgkeit der Såttigungsmagnetisierung erheblich über den Temper,aturabhängigkeiten der Sättigungsmagnetisierungen der Mikrowellenferritscheiben 9 und der Dauermagnetscheiben 17, die noch nachfolgend näher beschrieben werden, liegt..
Die Querschnitte der Kompensationsferritringe 15 sollen nach der Lehre der Erfindung in Flußrichtung des magnetischen Flusses derart klein ausgebildet werden, daß diese sich durch den durch die Dauermagnetscheiben 17 erzeugten magnetischen Fluß bei der niedrigsten Betriebstemperatur:voll in der Sättigung befinden. Ein Werkstoff für diese Kompensationsferritringe 15 wird von der Anmelderin unter der Bezeichnung FXC 3 El vertrieben.
Auf den Kompensationsferritringen 15 liegen nun wieder, diese etwas überragende, zweite weichmagnetische Polscheiben 1,6 und auf diesen schließlich, einen etwa gleichen Durchmesser wie die zareiten Polscheiben 16 aufweisend, Dauermagnetscheiben 17.
Die Dauermagnetscheiben 17 bestehen aus einem hartmagnetischen Werkstoff, wie er von der Anmelderit unter der Bezeichnung FXD K330 vertrieben wird, der im interessierenden Temperaturbereich eine lineare Temperaturabhängigkeit -der Remanenz aufweist.
Damit sich der äußere magnetische Kreis nicht über dem Streufluß schließen muß, ist der gesamte Zirkulator mit einem Eisennickschluß 18 umgeben, der ohne Luftspalt fest auf den Dauermagnetscheiben 17 aufliegt und auch an der Trennfuge bei. 19 keine Luftspalte auftreiben sollte. Ist der Breitbandzirkulator scheibenförmig ausgebildet, dann ist der Sisenrückschluß 18 8 topfförmig; ist der Breitbandzirkulator jedoch quaderförmig ausgebildet, so ist der Eisenrückschluß 18 angepaßt und bügelförmig.
Zur besseren Wärmeübertragung an dem jeweiligell Kompensationsferritring 15 ist um diesen ein die Wärme gut leitender Metallring 21 angeordnet. Zur Linearisierung der Temperaturabhängigkeit des inneren statischen Nagnetfeldes in den Mikrowellenf-erritscheiben 9 kann der Eisenrückschluß 18 auf seinen den Dauermagnetscheiben 17 zugewandten Seiten je einen den Dauermagnetscheiben angepaßten etwa scheibenförmigen Ansatz 20 aufweisen.
Der Gegenstand nach der Erfindung ist vorteilhaft einsetzbar in sogenannten VHF-Breitbandzirkulatoren im Frequenzbereich von 96 bis 146 MHz oder 225 bis 400 MHz. Die Durchlaßdämpfung eines derartigen VHF'-Breitbandzirkulators ist =-1 dB, seine Sperrdämpfung = 20 dB.
Zur Wirkungsweise der Anordnung sei noch folgendes ausgeführt: Wenn das magnetische Feld im Mikrowellenferrit über dem interessierenden Temperaturbereich etwa konstant sein soll, dann rnüssen der Außenmagnet, also die durch die Dauermagnetscheiben 17 aufgebrachten magnetischen Felder in ihrer Induktion der Sättigungsmagnetisierung im Mikrowellenferrit, also in den Mikrowellenferritscheiben 9, folgen, d.h. bei. kleinerer Sättigungsmagnetisierung in der Mikrowellenferritscheibe 9 muß aüch eine kleinere Induktion in der Dauermagnetscheibe 17 vorhanden sein. Dies führt wiederum dazu, daß die gewünschten elektrischen Werte, z.B. linear von der Temperatur abhängen.
P A T E N T A N S P R Ü C H E :

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E : 1. Breitbandzirkulator, insbesondere für den Frequenzbe.reich oberhalb 10 MHz, bestehend u.a. aus einem Verkopplungsraum, in dem beidseitig der Leiterbahnen Mikrowellenferritscheiben und außerhalb des Verkopplungsraumes axial zu den Mikrowellenferritscheiben Dauermagnetscheiben sowie weichmagnetische Polscheiben und ferner Ferrite zur Temperaturkompe'nsation-(Kompensationsferrit) und ein weichmagnetischer Eisenrückschluß angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwecks Erweiterung des Temperatur bereiches durch entsprechende Beeinflussung der Temperaturabhängigkeit des inneren statischen Magnetfeldes in den Mikrowellenferritscheiben auf den MikrowellenSerritscheibens diese weit überragende, unmagnetische Außenleiterplatten, auf diesen weichmagnetische, einen etwas größeren Durchmesser als die Mikrowellenferritscheiben aufweisende erste Pol scheiben, auf diesen Kompensationsferrite mit einem größten Querschnitt, der sich zum in Flußrichtung liegenden Querschnitt der ersten Polscheiben wie die Sättigungsmagnetisierung des Mikrowellenferrites zu der des Kompensationsferrites bei der tiefsten Temperatur verhält, auf den Kompensationsferriten diese etwas überragende zweite weichmagnetische Polscheiben, auf diesen einen etwa gleichen Durchmesser wie die zweiten Pols cheiben aufweisende Dauermagnetscheiben und auf diesen sich über den gesamten Zirkulator erstreckende, z.B.' topf- coder bügelförmig aisgebildete Eisenrückschlüsse angeordnet sind.
2. Breitbandzirkulator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mikrowellenferritscheiben aus einem sogenannten gyromagnetischen Älerkstoff he bestehen, de ss enSättigungsraag'netisierungs-Temperaturkennlinie in dem interessierenden Temperatur bereich eine lineare Charakteristik und vorzugsweise eine geringe Steilheit aufweist.
3. Breitbandzirkulator nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenleiterplatten aus Kupfer, Aluminium oder Messing bestehen.
4. Breitbandzirkulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polscheiben aus weichr.1agnetischem Stahl bestehen.
5. Breitbandzirkulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsferrite aus Ringen aus einem weichmagnetischen Werkstoff bestehen, deren relative Temperaturabhängigkeiten der Sättigunmsmagne-tisierungen erheblich über den relativen Temperaturabhängigkeiten der Sättgigungsmagnetisierungen der Mikrowellenferritscheiben und der Dauermagnetscheiben liegt.
6. Breitbandzirkulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenrückschlüsse aus einem topf- oder bügelförmigen Eisenrückschluß bestehen, der auf seinen den Dauermagnetsche iben zugewandten Seiten je einen, den Dauermagnetscheiben angepaßten, etwa scheibenförmigen Ansatz aufweist.
7. Breitbandzirkulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um jeden Kompensationsferriten ein unmagnetischer Wärmeübertragungsring angeordnet ist.
8. Breitbandzirkulator nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Stärken bzw. Dicken der Kompensationsferrite zu den St-'rken bzw. Dicken der Dauermagne tscheiben derart gewählt ist 7 daß das innere statische Magnetfeld im i'ikrowell enferrit in Flußrichtung mit steigender Temperatur linear und geringfügig abfällt.