DE2226509C3

DE2226509C3 - BreKbandzirkulator

Info

Publication number: DE2226509C3
Application number: DE19722226509
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr. 5100 Aachen 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: 1975-05-15
Also published as: DE2226509A1; DE2226509B2

Description

Die Erfindung bezieh! sich auf einen Breiihandzirkulator, insbesondere für den Frequenzbereich oberhalb IO MHz, bestehend unter anderem aus einem v'erkopplungsraum, in dem beidseitig der Leite/bahnen Mikrowellenferritscheiben und außerhalb des Verkopplungsraumes axial zu den Mikrowellenferritschciben Dauermagnetscheiben sowie weichmacnetische Polscheibcn und ferner Ferrite zur Temperaturkompensation (Kompensationsferrite) und ein weichmagnetischer Hisenrückschluß angeordnet sind.

Zirkulatorcn ähnlicher Art sind aus zahlreichen Veröffentlichungen bekannt, /.. B. mit einer Parallelschaltung des Mikrowellen- mit dem Kompensationsferrit aus der US-PS 3 452 2<>S. DT-PS 2 045 775. 1280 354. 1 146 147. Die Mikroweilenferrite waren bisher im wesentlichen in Zirkulatorcn im GHz-Bcreich eingesetzt. Auf den Aufbau eines Zirkulators braucht nur in kurzen Zügen eingegangen zu werden, und es soll nachfolgend der wesentliche Unterschied zwischen dem bekannten und dem neuen Zirkulator nach der Erfindung herausgestellt werden.

Bei den bekannten Zirkulatorcn ist z. B. bei einer Frccjuenz von / I GHz durch die sehr nahe am Mikrowellenferrit angeordneten Dauermagnete ein verhältnismäßig großes inneres Feld in dem Mikrowellenferrit aufbringbar. Dieses Feld weist z. B. eine Stärke von 350 Ocrstcdt 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 Mikrowcllcnferrit und das aktive Magnetmatcrial, nämlich den Dauermagneten, ein Feld zu erhalten, das im Inneren des Mikrowellenferrits höchstens um A 10°/n seines Wertes bei 20¹C im interessierenden Temperaturbereich schwankt. Zwecks Vermeidung der unangenehmen, nie vollständig zu verhindernden Streutlüssc, ist es bekannt, das aktive Magnetmalerial, nämlich den Dauermagneten, sehr nahe an dem Mikrowellcnferrit anzuordnen, und zwar z. B. lediglich unter Zwischenschaltung einer dünnen Scheibe, ti ic den sogenannten Kompensationsl'erriten darstellt (Beispiel: Schcibenduiehmesser 60 mm. Scheibenstärke 1 mm).

Kompensationsferrite und ihre Eigenschaften sind ebenfalls bekannt, und zwar insbesondere ihr Temperatutgang.

Die Ausbildung eines sogenannten breitbandigen Zirkulators. kurz Breitbandzirkulator genannt, bei

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niedrigen Frequenzen, z.B. für eine Betriebsfrequenz von / = ϊΟΟ MHz, ist unvergleichbar schwieriger als eine Anordnung bei der obengenannten Frequenz von / = 1 GHz, weil nämlich bei dieser niedrigeren Frequenz ein inneres statisches Magnetfeld im Mikrowellenferrit in der Größenordnung vim nur 50 Oerstedt benötigt wird. Auf Grund dieses kleinen Wertes ist es äußerst schwierig, in einem größeren Temperaturbereich Feldstärkenschwankungen <Ξ10°·Ό, also < 5 Oerstedt, zu erhalten. ~

Breitbandzirkulatoren werden also mit relativ kleinen inneren Polarisationsfeldstärken Hi im Mikrowellenferrh 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 dageeen zur Zunahme der Verluste des Zirkulator führen würde. Zur Erzeugung einer inneren Feldstärke Hi in einer flachen Scheibe ist entsprechend der Magnetisierungskennlinie ein Magnetfeld B — 4 η Ms -'- Hi ao nötig. Da die Sättigungsmagnetisierum: 4 .τ Ms der durchweg verwendeten YIG-Werkstoffe mit etwa 1700 Gs etwa zwanzigm?! so groß ist wie die gewünschten WZ-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 Breitbandzirkulator zu schaffen, der im Frequenzbereich etwa an der Untergrenze 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 auf Grund dieser Berechnung ergibt sich eine Lösung der genannten Aufgabe für einen Breitbandzirkulator der eingangs genannten Art nach der Erfindung dann, wenn zwecks I !Weiterung des Temperaturbereiches durch entsprechende Beeinflussung der Temperaturabhängigkeit des inneren statischen Magnetfeldes in den Mikrowellenferritscheiben auf diesen sie weit überragende, unmagnetische Außenleiterplatten, auf diesen weichmagnetische, einen etwas größeren Durchmesser als die Mikrowellenferritscheibcn aufweisende erste Polscheiben, auf diesen Kompcnsationsfcrrite mit einem größten Querschnitt, der sich zum in Flußrichtung liegenden Querschnitt der ersten Polscheiben wie die Sättignngsmagnetisierung des Mikrowellenferrits zu der des Kompensationsferrits 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 bügeiförmig ausgebildete Eisenrückschlüsse angeordnet sind.

Auch können die Mikrowellenferritscheiben aus einem sogenannten gyromagnetischen Werkstoff bestehen, dessen Sättigungsmagnetisierungs-Tcmperaturkennlinie in dem interessierenden Temperaturbereich eine IJnear-Charaktcristik und vorzugsweise eine geringe Steilheit aufweist. Die Außenleiterplatten können auch aus Kupfer, Aluminium oder Messing bestehen und die Polscheiben aus wcichmagnetischcm ^fis Stahl. Weiterhin können die Kompensationsfcrrite aus Ringen aus einem weichmagnetischcn Werkstoff bestehen, dessen relative Temperaturabhängigkeit der Sättigungsmagnetisierung erheblich über den relativen Temperaturabhängigkeilen Jer Sättigungsmagnetisierungen der Mikrowellenferritscheiben und der Dauermagnetscheiben liegt. Die Eisenrückschlüsse können aus einem topf- oder bügeiförmigen Eisenrückschluß bestehen, der auf seinen den Dauermagnetscheiben zugewandten Seiten je einen, den Dauermagnetscheiben angepaßten, etwa scheibenförmigen Ansatz aufweist. Weiterhin können um jeden Kompensationsferrieen ein unmagnetischer 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 -¹- 80° C das Feld im Inneren des Mikrowellenferrits praktisch konstant zu halten, d. h.. die Änderungen des Feldes sind z. B. ^5 Oerstedt, wenn das ganze Feld z. B. 50 Oerstedt beträgt. Diese Konstanz w^:rd im Tempera.'urbereich von 40 bis +8O⁰C durch Einfügen eines Kompensationsferrits in den Dauermagnetkreis erreicht. Dabei muß die relative Abnahme der Sättigungsmagnetisicruiii! (es Kompensationswerkstoffcs mit steigender Temperatur größer als die des Mikrowellenferrit« 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 /// (j 3 Oe), die durch folgende Maßnahmen erreicht wird:

1. Der KompensationswerkstofT 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 Polscheibcngröße steht.

2. Der KompensationswerkstofT muß zwischen Daue^rmagnet und Polschcibe entsprechend der Zeichnungen angeordnet sein. Nur so ist sichergestellt, daß der Mikrowellenferrit und der Kompensationswerkstoff vom selben magnetischen Fluß durchflossen werden.

3. Zwischen Dauermagnet und Eisenjoch muß ein bestimmter Abstand eingehalten werden. Damit läßt sich der Einfluß der Streufelder auf die Konstanz kompensieren.

4. Der Durchmesser der Polscheiben muß etwa 2O¹Vo 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 Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:

Die Zeichnung zeigt einen Schnitt durch einen Zirkulator mit einem Schnitt durch einen Anschluß, wahrend die anderen Anschlüsse nicht mitgezeichnet sind.

Eine Koaxialeingangsbuchse bestehi aus einem ringförmigen Außenleiter 1 und einem Innerlicher 2, der an eine aus isolierendem Werkstoff bestehende sogenannte Printplatte angelötet ist, wobei die stark

ausgezeichneten Striche 4 die Kupferkaschierung auf raturabliängigkcit der Sättigungsmagnetisicrung crdiescr Printplatte darstellen sollen. Innerhalb des heblich über den Temperaturabhängigkeiten der Verkopplungsraumes 5 sind Leiterbahnen 6 gebildet Sättigungsmagnetisicrungen der MikrowcUenfcrritdurch entsprechende Kupferstege auf der Printplatte 3. scheiben 9 und der Dauermagnelseheibcn 17, die Diese Leiterbahnen gehen in an sich bekannter Weise 5 nachfolgend noch näher beschrieben werden, liegt, bis an das Ende des Verkoppiungsraumes 7 heran Die Querschnitte der Kompcnsalionsfcrritringc 15 und sind dort miteinander verbunden. Die Verbin- sollen nach der Lehre der Erfindung in Flußriehlung dung des Inncnlcitcrs 2 mit den Leiterbahnen 6 er- des magnetischen Flusses derart klein ausgebildet folgt über konzentrierte Elemente, wie bei 8 auge- werden, daß diese sich durch den durch die Dauerdeutet. Symmetrisch zu der Printplatte 3 bzw. zu den io magnetscheibcn 17 erzeugten magnetischen Fluß bei Leiterbahnen 6, die sich also in der Mitte des Ver- der niedrigsten Betriebstemperatur voll in der Sättikopplungsraumes 5 überschneiden und an den Kreu- gung befinden. Ein Werkstoff für diese Kompenztingspunkten gegeneinander isoliert sind, liegen auf sationsferritringc 15 wird von der Erfinderin unter der Printplatte 3 beidseitig in bekannter Weise die der Bezeichnung FXC 3 E 1 vertrieben,
sogenannten Mikrowellenferritscheiben 9. Diese be- »5 Auf den Kompensationsferritringen 15 liegen wieder stehen aus einem sogenannten gyromagnetische diese etwas überragende zweite weichmagnetische Werkstoff mit einer besonderen Zusammensetzung. Polscheibcn 16 und auf diesen schließlich, etwa Zum Beispiel in dem Fall der Erfindung soll dieser gleichen Durchmesser wie die zweiten Polscheibcn 16 Werkstoff eine Sättigungsmagnetisierungs-Tcmpera- aufweisend, Dauermagnetscheiben 17. Die Dauerturkennlinie in dem interessierenden Temperatur- 20 magnetscheiben 17 bestehen aus einem hartmagncbercich aufweisen, die vor allen Dingen eine lineare tischen Werkstoff, wie er von der Erfinderin unter Charakteristik haben muß. Stehen weitere Werkstoffe der Bezeichnung FXD K 330 vertrieben wird, der im zur Auswahl, die ebenfalls eine lineare Charakteristik interessierenden Temperaturbereich eine lineare Temaufweisen. so ist der Werkstoff am besten geeignet, peraturabhängigkeit der Remanenz aufweist,
dessen Kennlinie die geringste Steilheit im interes- 25 Damit sich der äußere magnetische Kreis nicht sierenden Temperaturbereich zeigt. über dem Streufluß schließen muß, ist der gesamte

Auf diesen Mikrowellenferritscheiben 9 liegen die Zirkulator mit einem Eisenrückschluß 18 umgeben, sogenannten aus unmagnetischem Werkstoff bestehen- der ohne Luftspalt fest auf den Dauermagnetscheiben den Außenleiterplatten 10 auf, die die Mikrowellen- 17 aufliegt und auch an der Trennfuge bei 19 keine ferritscheiben 9 weit überragen und auch außerhalb 30 Luftspalte aufweisen sollte. Ist der Breitbandzirkudes Scheibenbereiches bis an die Printplatte, z. B. im lator scheibenförmig ausgebildet, dann ist der Eisen-Bereich bei 11, herangeführt sind und die gesamte rückschluß 18 topfförmig; ist der Breitbandzirkulator Höhe des Breitbandzirkulators ausfüllen. Sie können jedoch quaderförmig ausgebildet, so ist der Eisen-Ausnehmungen aufweisen, wie bei 12, damit die An- rückschluß 18 angepaßt und bügeiförmig.
Schlußelemente, also die konzentrierten Elemente 8, 35 Zur besseren Wärmeübertragung an dem jeweiligen die die Verbindung zwischen dem Innenleiter 2 und Kompensationsferritring 15 ist um diesen ein die den Leiterbahnen 6 herstellen. Platz finden. Weiter- Wärme gut leitender Metallring 21 angeordnet. Zur hin können diese Außenleiterplattcn auch Ausneh- Linearisierung der Teinperaturabhängigkeit des inncmungen aufweisen, wie bei 13 gezeigt, hier zwecks ren statischen Magnetfeldes in den Mikrowellenferrit-Aufnahme weiterer Bauteile für den magnetischen 40 scheiben 9 kann der Eiscnriickschluß 18 auf seinen Kreis. In dem soeben beschriebenen Ausführungsbei- den Dauermagnetscheiben 17 zugewandten Seiten je spiel sind die Außenleiterplatten an sich keine eigent- einen den Dauermagnetscheiben angepaßten etwa liehen Platten mehr, denn für den magnetischen scheibenförmigen Ansatz 20 aufweisen.
Kreis und in bezug auf diese Erfindung ist nur der Der Gegenstand nach der Erfindung ist vorteilhaft Bereich der Teile 10 interessant, der im Flußbereich 45 cinsetzbar in sogenannten VHF-Breitbandzirkulatoren des magnetischen Flusses, also oberhalb und unter- im Frequenzbereich von 96 bis 146MHz oder 225 halb der Mikrowellenferritscheiben 9 und in den an- bis 400 MHz. Die Durchlaßdämpfung eines derartigrenzenden Gebieten, in deren der Streunuß noch gen VHF-Breitbandzirkulators beträgt 1 dB, seine eine gewisse Größe aufweist, liegt. Die Außenleiter- Sperrdämpfuns dagegen 20 dB.
platten 10 können aus Kupfer. Aluminium oder Mes- 50 Zur Wirkungsweise der Anordnung sei noch folsing bestehen. gendes ausgeführt: Wenn das magnetische Feld iir

In den obengenannten Hohlräumen 13 liegen nun Mikrowellenferrit über dem interessierenden Tempein Flußrichtung des magnetischen Flusses sogenannte raturbereich etwa konstant sein soll, dann müsser erste Polscheiben 14, deren Durchmesser etwas größer der Außenmagnet, also die durch die Dauermagnetais der der Mikrowellenferritscheiben 9 ist, die aus 55 scheiben 17 aufgebrachten magnetischen Felder ir weichmagnetischem Stahl bestehen. Auf diesen ersten ihrer Induktion der Sättigungsmagnetisierung iir Polscheiben 14 sind nun beispielsweise Kompen- Mikrowellenferrit, also in den Mikrowellenferritsationsferritringe 15 angeordnet, und der mittlere scheiben 9, folgen, d. h. bei kleinerer Sättigungs-Durchmesser dieser Kompensationsferritringe kann magnetisierung in der Mikrowellenferritscheibe 9 muf etwa gleich dem halben Durchmesser oder zwei 60 auch eine kleinere Induktion in der Dauermagnet Drittel des Durchmessers der ersten Polscheiben 14 scheibe 17 vorhanden sein. Dies führt wiederum dazu sein. Die Kompensationsferritringe 15 bestehen aus daß die gewünschten elektrischen Werte z. B. lineal einem weichmagnetischen Werkstoff, dessen Tempe- von der Temperatur abhängen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Breitbandzirkulator, insbesondere für den Frequenzbereich oberhalb 10 MHz, mit einem Verkopplungsraum, in dem beidseitig der Leiterbahnen Mikrowellenferritscheiben und außerhalb des Verkopplungsraumes axial zu den Mikrowellenferritscheiben Dauermagnetscheiben sowie weichmagnetische Polscheiben und ferner Ferrite zur Temperaturkompensation (!Compensations- ίο ferrit) und ein weichmagnetischer Eisenrückschluß angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erweiterung des Temperaturbereiches durch entsprechende Beeinflussung der Temperaturabhängigkeit des inneren statischen ts Magnetfeldes in den Mikrowellenferritscheiben (9) auf diesen sie weit überragende, unmagnetische Außenleiterplatten (10), auf diesen weichmagnetische, einen etwas größeren Durchmesser als die Mikrowellerferritscheiben aufweisende er«!e Po!- so scheiben (14), auf diesen Kompensationsferrite i(15) mit einem größten Querschnitt, der sich zum in Flußrichtung liegenden Querschnitt der ersten Polscheiben wie die Sättieungsmagnetisierung des Mikrowellenferrits zu der des !Compensationsiferrits bei der tiefsten Temperatur verhält, auf den Kompcnsaiionsferriten diese etwas überiragcnde zweite weichmagnetische Polscheiben i(16), auf diesen einen etwa gleichen Durchmesser 'wie die zweiten Polsdiciben aufweisende Dauermagnetscheiben (17) und auf diesen sich über den gesamter! Zirkulator erstreckende, z. B. topf-(oder bügclförmig ausgebildete Eisenrückschlüsse 08) angeordnet sind.

2. Breitbandzirkulator nach Anspruch 1. da- «lurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenferrit-Rcheibcn (9) aus einem sogenannten gyromagnctischcn Werkstoff bestehen, dessen Sättig ingsimagnetisierungs-Tempcraturkcnnlinio in dem interessierenden Temperaturbereich eine lineare Charakteristik und vorzugsweise eine geringe Steilheit aufweist.

3. Breitbandzirkulator nach Anspruch 1 und (oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenleilerplattcn (ΙΟΊ aus Kupfer. Aluminium oder Messing bestehen.

4. Breitbandzirkulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polscheiben (14. 16) aus Hveichmagnctischem Stahl bestehen.

5. Breitbandzirkulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsferrite (15) (aus Ringen aus einem weichmagnetischen Wcrk-Moff bestehen, dessen relative Temperaturabhän-Eigkeit der Sätligimgsmagnetisicrung erheblich her den relativen Tcmperaturahhängigkeitcn der fiättigungsmagnetisierungen der Mikrowellenferritscheiben (9) und der Pauei magnetscheiben (14. 16) liegt.

Ο. Breitband/irkulalor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fisenrückschlüsse (18) aus einem topf- oder biigclförmigcn Eiscnriickschluß bestehen, der auf seinen den Dauermagnetscheibe!! (17) zugewandten Seiten je einen den Dauermagiielseheiben angepaßten, etwa scheibenförmigen Ansatz aufweist.

7. Breitbandzirkulator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um jeden Kompensationsferriten (15) ein unmagntüscher Wärmeübertragungsring (21) angeordnet ist.

8. Breitbandzirkuiator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Stärken bzw. Dicken der Kompensationsferrite (15) zu den Stärken bzw. Dicken der Dauermagnetscheiben (17) derart gewählt ist, daß das innere statische Magnetfeld im Mikrowellenferrit (9) in Flußrichtung mit steigender Temperatur linear und geringfügig abfällt.