DE2226726B2 - Nichtreziproke Übertragungsanordnung für elektromagnetische Höchstfrequenzwellen - Google Patents

Description

und daß die Erregungsanordnung (5) die allgemeine Form eines Dreiecks hat, von dem zwei Ecken durch zwei Leitungsabschnitte verlängert sind, welche teilweise den zweiten Teil (3) aus dielektrischem Material überdecken, und daß die teilweise den dritten Τ«*Π (45) überdeckende drine Ecke mit einer dritten Anschlußvorrichtung K₃ verbunden ist (F i g. 32).

29. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsanordnung (5) zwischen der ersten Ecke und der dritten Ecke und zwischen der zweiten Ecke und der dritten Ecke Seiten aufweist, die nicht geradlinig sind (Fig. 32).

30. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 21 nach Art einer vierarmigen Richtungsgabel (Zirkulator), dadurch gekennzeichnet, daß die als Träger für die Wellenausbreitung dienende Struktur dadurch gebildet ist. daß die Struktur nach Anspruch 28 symmetrisch in bezug auf eine parallel zur Ausbreitungsrichtung liegende und durch den dritten Teil aus dielektrischem Material gehende Gerade ergänzt ist und daß die Erregungsanordnung (5) durch die gleiche symmetrische Ergänzung aus der Anordnung nach Anspruch 29 gebildet ist (F i g. 34).

31. Nichtreziproke Übertragimgsanordnung nach Anspruch 1 oder 4, zur Verwendung als Phasenschieber, dadurch gekennzeichnet, daß das als Träger für die Wellenausbreitung dienende Medium über eine parallel zu der Ausbreitungsrichtung liegende Verbindungsfläche mit einem dielektrischen Medium verbunden ist.

32. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 20 oder 21, zur Verwendung als Phasenschieber, dadurch gekennzeichnet, daß das als Träger für die Wellenausbreitung dienende Medium mit einem zweiten dielektrischen Medium verbunden ist, das aus einem anderen Material als der zweite Teil des als Ausbreitungsträger dienenden Mediums besteht und das sich an das als Ausbreitungsträger dienende Medium auf der Seite des aus magnetischem Material bestehenden Teils anschließt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine nichtreziproke Übertragungsanordnung für elektromagnetische Höchstfrequenzwellen mit einem gyromagnetischen Material, das unter dem Einfluß eines Vormagnetisierungs-Gleichfeldes steht.

Als nichtreziproke Anordnung bezeichnet man eine Schaltung, deren Übertragungseigenschaften (Dämp-

¹S fung, Phasenverschiebung) je nach der Ausbreitungsrichtung der Wellen durch die Schaltung verschieden sind. Es sind Schaltungen dieser Art bekannt. Jic durch Abschnitte von Übertragungsleitungen (Koaxialleitungen, Hohlleiter, Bandleitungen usw.) gebildet sind, die ein ferrimagnetisches oder gyromagnetisches Material (in der folgenden Beschreibung magnetisches Material genannt) enthalten, das unter einem Vormagnetisierungs-Gleichfeld steht. Die Permeabilität eines solchen Materials ist unter der Ein-

»5 wirkung der äußeren Magnetisierung ein Tensor, wa¹-beJeutet daß die Impedanz des Mediums für eine sich dann ausbreitende Welle von der Orientieruni: des Magnetfeldes der Welle in bezug auf eine mi. dem Medium verknüpfte feste Bezugsrichtung ah-

hängt. Diese Orientierung ändert sich also mit der Ausbreiiungsrichtung. Die Ausnutzung dieser Eigenschaft ist die Grundlage für die Bildung der unter ιλ^r Bezeichnung Richtungsleitungen (Isolatorei), Richtungsgabeln (Zirkulatoren). Phasenschieber usw Hekannten Schaltungen, die beispielsweise im FaI /er Richtungslcitungen die Wellen mit einer gering en Dämpfung (von einigen Dezibel und manchmal τλ·.Δ\ weniger) in der Vorwärtsrichtung und mit einer scr.i viel größeren Dämpfung (,über 20 dB) in der Rück-

wärtsrichtung übertragen. Die meisten Schaltungen dieser Art weisen gemeinsame Eigenschaften auf. welche die von den Benutzern gegenwärtig gestellten erhöhten Anforderungen nicht erfüllen, nämlich:

eine verhältnismäßige kleine Bandbreite, die selten eine Oktave übersteigt, selbst wenn einander überlagerte Gleichfelder mit verschiedenen Werten verwendet werden, wie beispielsweise im Fall der Resonanz-Richtungsleitungen; ein im allgemeinen mittelmäßiges Temperatur- und Leistungsverhalten, selbst wenn beispielsweise Lötungen oder leitende Klebstoffe verwendet werden.

Im Fall der Resonanz-Richtungsleitungen ist beispielsweise die Betriebsfrequenz dem Vormagnetisierungsfeld direkt proportional, und da dieses überlagerte Feld aus Gründen des Raumbedarfs und des Gewichts gewöhnlich fest und vorzugsweise gering

So ist, ist das Betriebsfrequenzband verhältnismäßig klein. Im Fall derFeldverschiebungs-Richtungsleitungen, wenn Strukturen auf der Basis von rechteckigen oder runden Hohlleitern verwendet werden, ist das Durchlaßband auf das Band des eigentlichen Hohi-

leiters beschränkt. Wenn koaxiale Strukturen oder Strukturen aus Dreifachbandleitungen verwendet werden, die mit der normalen TEM-Wellenform arbeiten, ist die Feldverschiebung häufig von der Er

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regung von Störvellenformen begleitet, also von Hohlleiler-Wellcnlormen, welche Grenzfreqiicnzen aufweisen, die den Durchlaßbereich der Anordnung beschränken. Im Fall von Richtungsleitungen. die mit Faraday-Effekt arbeiten, ist die Bandbreite durch die Bandbreite des eigentlichen runden Hohlleiters und durch die Wellenform-Anpassungsglieder festgelegt; sie überste gt niemals eine Oktave. Wenn die Richtungsleitungen durch Richtungsgabeln (Zirkulatoren) gebildet sind, bei denen ein Arm reflexionsfrei abgeschlossen ist. ist die Bandbreite der Richtungsleitung gleich derjenigen der Richtungsgabel und daher schließlich sehr gering; in der Dreifachbandleitung. Technologie mit Wellenausbreitung in der Wellenform TEM, übersteigt sie selten eine Oktave. Die Richtungsgabdn mit Übergang oder mit Phasendifferenz sind im illgemeinen ebenfalls auf die Bandbreite des Übertragungshohlleiters beschränkt, so daß auch hier die Bardbreite stets höchstens gleich einer Oktave ist.

Hinsichtlich des Verhaltens in Abhängigkeit von der Temperatur jnd der mittleren Leistung (wobei diese Größen in den meisten Fällen miteinander verknüpft sind) sind die Eigenschaften infolge der bekannten Temper.iturabhängigkeit der Permeabilität der magnetischer Materialien oder infolge des zu niedrigen Curie-Funktes der verwendeten Materialien beschränkt. Andererseits verbleibt die in der Rückwärtsrichtung nicht übertragene Energie, wie im FaI! der Resonanz-Richtungsleitungen, häufig in dem mag^H^hen Material das sich seinerseits in einem Hohlleiter oder in einer Koaxialstruktur befindet, wodurch die Abführung der Energie erschwert wird. Dies hat eine betiächtliche Erhöhung der Temperatur des Materials zur Folge. Ferner werden die Einfügungsverluste (Dämpfung in der Vorwärtsrichtung) durch die Anwendung eines Dämprungsgliedes im Innern des Raumes, in dem sich die Welle ausbreitet, unabhängig von der angewendeten Technologie vergrößert.

Die Erfindung beruht auf einer neuartigen Anwendung der Eigenschaften von Wellenformen, die unter den Bezeichnungen TM-Oberflächenwellen. Ouasi-TM-Oberflächenwellen oder Hybridwellen. beispielsweise von Typ HE_n, bekannt sind, in einem ferro- oder gyro magnetischen Medium, auf das ein Vormagnetisierungs-Gleichfeld einwirkt und dem in bestimmten Fälbn ein Medium aus einem dielektrischen Material zugeordnet ist, wobei dann beide Medien zu der Ausbreitung der Oberflächenwellen in der Struktur beitragen.

Da sich die Techniker gewöhnlich auf den Fall von geführten etenen TEM-Wellen beschränken (bei denen da; elektr.sche Feld und das magnetische Feld beide senkrecht m der Ausbreitungsrichtung stehen), erscheint es zweckmäßig, kurz daran zu erinnern, was unter TM-Oberflächenwellen, Quasi-TM-Oberflächenwellen und ΗΕ,,-Hybridwellen zu verstehen ist. In einem Aufsatz verhältnismäßig jüngeren Datums von G. G ο u b a u in der Zeitschrift »Journal of Applied Physics« (1950. S. 1119). werden die Oberflächenwelisn in einem zylindrischen Leiter (Draht) untersucht. Die Oberflächenwellen (Drahtwellen) sind voι Sommerfeld definiert worden. Obwohl sie von einem Leiter geführt werden, nehmen sie einen großen Raum rings um diesen Leiter ein, was ihre praktische Anwendung verhindert. Goub a u hat gezeig t, daß man eine Konzentration der Energie in dem Leiter erhält, wenn dessen Oberfläche mit einer dielektrischen Schicht überzogen wird. Diese Arbeiten zeigen, daß die Konzentration der Energie rings um den Leiter von den Abmessungen des Leiters und des Dielektrikums abhängt. Dies hat zur Verringerung der Feldausdehnimg auf praktisch annehmbare Werte geführt, wobei die Feldausdehnung als das Volumen definiert werden kann, das 90⁰O (oder igendeinen anderen festgelegten Bruchteil) der Energie einschließt. Diese Untersuchungen sind von C Ii a ν a η c e und Chiron fortgesetzt worden und haben insbesondere ihren Niederschlag in einem Aufsatz gefunden, der in der Zeitschrift »Les Anales des Telecommunications«. Bd. 8, Nr. 11. November 1953, S. 367, veröffentlicht worden ist. Als Quasi-TM-Oberflächinwelle wird eine Welle bezeichnet, die sich unter sehr ähnlichen Bedingungen ausbreitet, jedoch eine kleine Komponente des magnetischen Wechselfeldes in der Ausbreitungsrichtung aufweisen kann. Unter ΗΕ,,-Hybridwellen sind Wellen zu verstehen, die eine vorherrschende Komponente des elektrischen Feldes senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung haben, ohne daß die übrigen Komponenten Null sind. Dieser Wellentyp weist eine longitudinal Komponeme des Magnetfeldes zusätzlich zu den transversalen Komponenten auf. Das magnetische Wech^elfcld weist daher keine lineare Polarisation auf und kann in bestimmten Strukturen zirkulär sein. Diese Feldverteilung ist die Grundlage für eine Ausführungsform der Erfindung.

Die bei der erfindun jsgemäßen Anordnung angewendeten Oberflächenwellen weisen, unabhängig von der Wellenform, den Vorteil auf. daß sie sich unter analogen Bedingungen in einem sehr breiten Frequenzband ausbreiten, das mehr al=, dreimal größer als das Frequenzband von TEM-Wellen bei 5er gleichen Trägerstrukiur ist. Ferner neigt die Verteilung der Höchstfrequenzenergie in der oder rings um die Trägerstruktur zur spontanen Ausbildung einer nicht linear polarisierten Welle, d. h. zur Ausbildung einer longitudinalen Komponente des Magnetfeldes zusätzlich zu der transversalen Komponente. Eine zirkuläre Polarisation des Magnetfeldes kann leicht erhalten werden, wie soeben für den Fall der HE_n-Wellen angegeben wurde.

Die Verwendung einer sich in einem ferromagnetischen Medium ausbreitenden Oberflächenwelle für die Bildung eines nicht reziproken Phasenschiebers ist in der französischen Patentschrift 1 468 808 beschrieben worden. Wenn ein magnetisiertes ferromagnetisches Medium in den Feldausdehnungsraum einer Leitung derart eingebracht wird, daß das Hochfrequenzmagnetfeld wenigstens in einem Teil des von dem ferromagnetischen Material eingenommenen Volumens nicht parallel zu dem Magnetisierungsfeld liegt, erhält man einen nichtreziproken Effekt insbesondere hinsichtlich der Phase einer Welle, die sich wenigstens teilweise in einer von der TEM-Wellenform" verschiedenen Wellenform ausbreitet, da aus Gründen der technologischen Bequemlichkeit das Magnetisierungsfeld senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung steht. Diese Bedingung ist unerläßlich für die Erzielung des nichtreziproken Effekts in dem Material, Es wurde beobachtet, daß bei einer solchen Struktur die Breite des Bandes der nutzbaren Frequenzen größer als bei den nichtreziproken Anordnungen ist, die eine Ausbreitung in der TEM-Wellenform anwenden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer nichtreziproken Übertragungsanordnung für elektromagnetische Höchstfrequenzwellen, die eine große Bandbreite aufweist und einen einfachen Aufbau hat, der sich insbesondere für eine Ausbildung nach der Technik der integrierten Höchstfrequenzschaltungen eignet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die nichtreziproke Übertragungsanordnung nach der Erfindung gekennzeichnet durch eine Oberflächenwellenleitung, deren Ausbreitungsmedium wenigstens zum Teil aus dem gyromagnetischen Material besteht und eine parallel zu der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen liegende größte Abmessung hat, während die beiden anderen Abmessungen klein gegen diese Abmessungen sind, eine Vormagnetisierungsvorrichtung, die in wenigstens einem Teil des Ausbreitungsmediums der Oberflächenwellenleitung ein homogenes Magnetfeld derart ausbildet, daß die Permeabilität des gyromagnetischen Materials in der Richtung parallel zu dem angelegten Magnetfeld wenigstens für eine Ausbreitungsrichtung sehr verschieden von seiner Anfangspermeabilität ist, und durch eine Erregungsanordnung, welche eine dem Eingang der Oberflächenwellenleitung zugeführte Eingangswelle (TEM-Raum-Welle) in eine Oberflächenwelle der Wellenform TM oder Quasi-TM oder der Hybridform HE_n und am Ausgang der Oberflächenwellenleitung die Oberflächenwelle in eine Ausgangswelle (TEM-Raum-Welle) umformt.

Die für die Wellenausbreitung dienende Struktur enthält wenigstens einen Teil aus magnetischem Material. Für ^stimmte Formen von Oberflächenwelle⁷!, insbesondere die HE_U-Hybridwellenfonn, kann dieser Teil das ganze Medium bilden. Wie bereits zuvor erwähnt wurde, weist nämlich das Magnetfeld eine nicht ebene Polarisation auf, was eine Wechselwirkung mit dem Magnetisierungsfeld gewährleistet. Diese Wechselwirkung ist Null, wenn die Welle infolge der durch technologische Gründe \'orgeschriebenen Orientierung des Magnetisierungsfeldes eben ist. Bei bestimmten Formen von Oberflächenwellen ist es notwendig, die Ausbildung einer nichtlinearen Polarisation des magnetischen Wechselfeldes zu begünstigen. Dies wird dadurch erreicht, daß ein dielektrisches Medium zu dem magnetischen Medium derart hinzugefügt wird, daß die Verbindungsfläche der beiden Medien die Ausbreitungsrichtung enthält und das so gebildete zusammengesetzte Medium in einer Ausbreitungsrichtung elektrisch kontinuierlich ist, weil sonst hohe Einfügungsverluste entstehen. Die Kontinuität des Mediums wird durch die Bedienung iif ■ ,.,«/ι,, · e_c ausgedrückt, wobei μ_ί0 die Anfangspermeabilität und f_f die Dielektrizitätskonstante des magnetischen Materials sind, während μ, die Permeabilität und E_e die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums sind (praktisch gilt /i_e = 1).

Bei bestimmten Ausführungsformen kann die für die Wellenausbreitung dienende Struktur mit einem Leiter von angepaßter Form verbunden werden. Die so abgebildete Struktur ist derjenigen eines Harms-Goubau-Leiters für eine rotationssymmetrische Struktur analog; im Fall einer ebenen Struktur nähert sie sich an die Struktur an, die von H. Kaden in dem Aufsatz »Dielektrische und Metallische Wellenleiter« in der Zeitschrift »Archiv für elektrische Übertragung«, August 1952, S. 319 bis 332, »Harms-Goubau-Platte« genannt wird und durch einen unbegrenzten ebenen Leiter gebildet ist, über dem sich eine Isolierschicht befindet, in der sich Oberflächenwellen ausbreiten. Im vorliegenden Fall ist das homogene oder zusammengesetzte Medium zwangläufig begrenzt, wodurch die TM-Wellenform in eine Quasi-TM-Wellenform oder im wesentlichen in eine HE₁₁-Hybridwellenform umgeformt wird. Der Leiter ist jedoch für die Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnungen nicht unbedingt notwendig, wie aus der

ίο folgenden Beschreibung hervorgehen wird.

Die geometrische Form des homogenen oder nichthomogenen Mediums kann beliebig sein, soweit die geometrischen Parameter der zuvor angegebenen Bedingung gehorchen. Insbesondere werden Beispiele für ebene Strukturen und für zylindrische Strukturen angegeben werden. Die allgemeine theoretische Untersuchung der Ausbreitung von TM-Oberflächcnwellen oder Quasi-TM-Oberflächenweilen oder )hbrid-Oberflächenwellen, beispielsweise vom Typ HE_n, in dem bei den Ausführungsformen der Erfindung verwendeten homogenen oder zusammengesetzten Medium ist zu komplex, als daß sie Ιικ · wiedergegeben werden könnte.

Die vollständige mathematische Theorie führt zu transzendenten Gleichungen. Der theoretische Ansatz, der von H. K ad en in dem zuvor genannten Aufsatz gemacht wurde, ist auf ein Medium der Di elektrizitätskonstante ε und konstanter Permeabilität //. = 1 (unmagnetisch) begrenzt. Diese Arbeiten fübren schnell zu transzendenten Gleichungen. Wenn da Medium magnetisch ist, ist die Untersuchung noch komplizierter. Am Ende der Beschreibung werde 1 Formeln angegeben werden, die einem besondeR " Fall entsprechen.

Die für die Ausbildung von Oberflächenwellen in dem homogenen oder zusammengesetzten Medium notwendige Wellenumwandlungsanordnung kanu irgendeine der bekannten Anordnungen sein. Bestimmte Ausführungsbeispiele solcher Umwandluniisanordnungen, die für zylindrische Strukturen bestimmt sind, sind in der französischen Patentschrift 1113 753 zu finden. Es sind auch Umwandlungsanordnungen bekannt, die besser an ebene Strukturen angepaßt sind und direkt von d;n Anordnungen abgeleitet sind, die in dem bereits angegebenen Aufsatz von Chavance und Chiron beschrieben sind.

Der anisotrope Charakter des magnetisierten Materials ergibt eine Dekonzentration der Wechselenergie in einer der Ausbreitungsrichtungen. Im Fall von Anordnungen, bei denen die Anisotropie zur Erzeugung einer Dämpfung der Energie in einer der Ausbreitungsrichtungen ausgenutzt wird, muß die nicht erwünschte Energie absorbiert werden, da sonst der Betrieb benachbarter Anordnungen gestört wird. Es ist daher bei diesen Ausführungsformen vorgesehen, zu der für die Wellenausbreitung dienenden Struktur, unabhängig davon ob sie homogen oder nicht homogen ist, ein Element hinzuzufügen, das

die Wechselenergie absorbiert. Wenn bei den Anordnungen nach der Erfindung die Anisotropie des magnetischen Materials dazu verwendet wird, eine nichtreziproke Phasenverschiebung zu erzeugen, muß die ganze Energie in den beiden Ausbreitungsrichtungen

in der Struktur aufrechterhalten werden. Die Verwendung eines zusammengesetzten Mediums ist dann notwendig, und die geometrischen Abmessungen werden unter Berücksichtigung dieser Bedingung be-

rechnet. Das absorbierende Element wird dann nicht verwendet.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen weisen gegenüber den Anordnungen bekannter Art eine sehr beträchtliche Vergrößerung der Bandbreite auf, denn solche Strukturen weisen, wie die Erfahrung zeigt und durch eine Näherungsformel nachzuweisen ist, keine Grenzfrequenz im oberen Teil des Frequenzbandes auf, sondern nur ein eSchwellenfrequenz, die nur von den elektrischen und geometrischen Eigenschaften des Ausbreitungsmediums oder der Anordnung aus dem Ausbreiiungsmedium und dem Leiter abhängt. Die höheren Störwellenforrnen, die erregt werden könnten, können mit an sich bekannten Mitteln leicht gedämpft weiden. Wenn sie sich als unerwünscht erv.sisen, werden z. 3. in an sich bekannter Weise Metallplatten oder Metalldrähte verwendet, die senkrecht zu den Komponenten des elektrisch::! Wechselfcldes liegen. Die Erfahrung zeigt, daß die nutzbare Bandbreite ohne besondere Maßnahmen vier Oktaven üK ι steigen kann. Natürlich müssen die verschiedenen Bestandteile der erfindungsgemäben Anordnung, insbesondere die Überflächenwellenerreger, in der Lage sein, solche Bandbreiten zu übertragen.

Die Verbesserung des Energieverhahens der erfindungsgemäßen Anordnungen im Vergleich zu den bekannten Anordnungen ergibt sich aus verschiedenen Eigenschaften der Erfindung. Sie betrifft natürlich nur die Anordnungen, bei denen eine nichtreziproke Dämpfung angewendet wird. Am einfachsten läßt sich die Eigenschaft erläutern, die sich aus der Lage der Vorrichtung für die Absorption der Energie in der Rückwärtsrichtung ergibt, die meist Dämpfungsglied genannt wird. Diese Vorrichtung ist nämlich außerhalb des Ausbreitungsmediums angeordnet und daher an allen Flächen, ausgenommen an der in Berührung mit dem Aushreitungsmedium stehenden Fläche, von Luft umgeben, so daß sie einen Raum einnehmen kann, der mit einer wirksamen Wärmeabführung verträglich ist, ohne daß sie die Verluste in der Vorwärtsrichtung beeinflußt, weil sich in diesem Fall fast die ganze Energie in dem homogenen oder zusammengesetzten Medium ausbreitet. Ein solches Dämpfungsglied kann also für ein gegebenes Energieniveau eine größere Temperaturstabilität gewährleisten oder für eine gegebene Temperaturerhöhung eine sehr viel größere Verlustleistung abführen.

Wenn ein zusammengesetztes Medium verwendet wird, verhält sich dieses wegen der Anisotropie des aus magnetischem Material bestehenden Teils insgesamt wie ein anisotropes Medium. Wenn die Werte der geometrischen Parameter des Teils oder der beiden Teile so gewählt sind, daß fast die ganze Energie für eine Ausbreitung in der Vorwärtsrichtung in dem Medium konzentriert ist, wird dieses Ergebnis durch die Wahl der geometrischen Abmessungen des Mediums erreicht. Die Anisotropie des magnetischen Mediums hat eine Dekonzentration der Energie im Fall einer Ausbreitung in der Rückwärtsrichtung zur Folge. Das Ungleichgewicht hängt von der Änderung von H₁ in der Vorwärtsrichtung und in der Rückwärtsrichtung ab, und es ist ersichtlich, daß die Art des Materials und das Vormagnctisierungsfeld so gewählt werden, daß eine maximale Änderung erhalten wird. Die Änderung von μ_! drückt sich auch in den meisten Fällen durch eine bevorzugte Ausbreitung der Rückwärtswelle in nur einem der beiden Teile aus, weil die beiden Teile dann sehr verschiedene Impedanzen und Übertragungsmaße aufweisen. Der als Träger für die Rückwärtswelle dienende Teil ist nicht mehr so dimensioniert, d;iß er allein eine optimale Wellenausbreitung ergibt, weil die Abmessungen seines Querschnitts senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung zu klein sind. Dies hat zur Folge, daß sich dieser Teil gegenüber der Rückwärtswelle infolge der beträchtlichen elektrischen Unstetigkeit,

ίο die sich in der Rückwärtsrichtung in dem Querschnitt des Mediums ausbildet, wie ein strahlendes Element verhält.

Es ist namiicu bekannt, daß jede Übertragung^ leitung von Obcrflächenwellen als strahlendes EIement verwendet werden kann. Damit dieses Ergebnis erhalten wird, braucht nur entweder eine geometiische Unstetigkeit oder eine elektrische Ui:Sletigkeit in die Übertragungsleitung eingefügt zu werden. Eine Unstctigkeit jeder Art verhält sich für eine Oberflächenwelle im wesentlichen wie eine Strahlungsquelle, nicht aber wie eine Quelle reflektierter Energie, wie es bei den anderen Arten von geführten Wellenformen der Fall ist. Dieser Effekt addiert sich zu der Änderung der elektrischen Eigenschaft des Mediums infolge der Anisotropie, wodurch die Nichtreziprozität noch weiter erhöht wird. Insbesondere breitet sich die in der Rückwärtsrichtung abgestrahlte Oberflächenwelle außerhalb des Mediums aus, und sie wird im Fall der Richtungsleitungen von dem Dämpfungsglied absorbiert. Wenn man die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes verändert, wird der nichtreziproke Charakter der Struktur natürlich aufrechterhalten, und die Eigenschaften in der Vorwärtsrichtung und in der Rückwärtsrichtung

werden vertauscht. Durch Anwendung von konstanten Vormagnetisierungsfeldem. die aber in dem aus magnetischem Material bestehenden Teil nicht überall gleichförmig sind, kann man übertragungseigenschaften zwischen dem einen Ende der Struktur und einem der Unstetigkeit des Vormagnetisierungsfeldes entsprechenden Zwischenpunkt erhalten, die von den Übertragungseigenschaften zwischen diesem Zwischenpunkt und dem anderen Ende der Struktur verschieden sind. Diese Feststellung ist die Grundlage

für die Ausbildung von breitbandigen Richtungsgabeln, die besonders einfach sind und sehr viel kleinere Einfügungsverluste aufweisen als die bisher bekannten Ausführungen von Richtungsgabeln. Wie später zu erkennen sein wird, enthält die Struktur dann mehrere magnetische Teile und mehrere dielektrische Teile.

Das Dämpfungsglied ist meistens in Form eines unterteilten oder kontinuierlichen Überzugs aus einer Mischung auf der Basis von Kohlenstoff bekannter Art ausgeführt. Das Dämpfungsglied wird aut den die Rückwärtswelle enthaltenden Teil des Mediums oder auf das ganze zusammengesetzte Medium aufgebracht. Aus den später angegebenen Ausführungsbeispielen wird zu erkennen sein, daß je nach der Ausführung die Energie der Rückwärtswelle sich in der Nähe des einen oder des anderen Teils des zusammengesetzten Mediums ausbreitet. Das angewendete Dämpfungsglied kann so gewählt werden, daß es eine ausreichend große Dielektrizitätskonstante und sogar eine ausreichend große Permeabilität hat. In diesem Fall bewirkt das Dämpfungsglied nicht nur die gewünschte Absorption, sondern es kann in gewissem Maße auch dazu beitragen, die abgestrahlte

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oder außerhalb des Mediums geführte Energie herauszuziehen. Hinsichtlich der in dem homogenen oder zusammengesetzten Medium nach der Erfindung verwendeten Materialien ermöglicht der Bereich der im Handel erhältlichen Materialien eine Auswahl, die gewöhnlich auf den Verlusten der Materialien in dem Betriebsfrequenzband beruht. Die Wahl des magnetischen Materials beruht jedoch hauptsächlich auf dem Wert seiner Sättiaunasinduktion.

sind entweder leitend oder isolierend, aber im allgemeinen eben, damit die Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen in integrierter Form ermöglicht wird, die für die Verringerung des Raumbedarfs
und des Gewichts günstiger ist; hierbei handelt es
sich um Ziele, die sich jeder Hersteller von modernen
Höchstfrequenzanordnungen stellt.

In der technischen Literatur sind zahlreiche Versuche zur Vergrößerung der Bandbreite von nicht-Zur Erzielung einer befriedigenden Vorwärts- io reziproken Vorrichtungen beschrieben, und es sind dämpfung bei der niedrigsten Frequenz des Durch- bereits zahlreiche Vorrichtungen ausgeführt worden, laßbereichs ist es notwendig, daß die Sättigungs- bei denen die Technik der Mikrobandleitungen aninduktion gering ist. Zur Erzielung eines beträcht- gewendet wird. Als Beispiel sei auf die USA.-Patentlichen Unterschieds zwischen den Permeabilitäten Schriften 3 555 459 und 3 617 951 verwiesen, in denen des Ferrits in den beiden Ausbreitungsrichtungen ist 15 breitbandige nichtreziproke Vorrichtungen beschriees dagegen im allgemeinen notwendig, daß die Sät- ben sind, bei denen die Technologie der Mikrobandtigungsinduktion groß ist. Die Erfahrung hat gezeigt, leitungen angewendet wird. In diesen Patentschriften daß diese Eigenschaft des Verlustes bei kleiner Feld- ist hervorgehoben, daß die gewünschte Wellenfonr stärke bevorzugt in Betracht gezogen werden muß. die TEM-Welle (RaumwelleT ist und daß die Band-Es ist allgemein bekannt, daß die Sättigungsinduk- 20 breite dadurch erhalten wird, daß

tion des Ferrits mit der Betriebsfrequenz durch die folgende Ungleichung verknüpft ist:

F [MHzj > 2,8 (4.T Ms + Hc) Darin sind:

Ms das jättigungsmoment,
Hc die Anisotropiefeldstärke.

1. ein Ferrit verwendet wird, de; einen resonanzfreien Hohlraum bildet;

2. die Störwellenformen unterdrückt werden. (Bei
den meisten Ausführungsformen sind Störwellcnunterdrücker vorgesehen.)

Die TEM-Raumwelle wird auch als Bezu_& >ür d^:

Eestimrnur" der Impedanzen verwendet. Diese Ungleichung gilt für ein ehr schwaches D;_e Erfindung wirJ an Hand der Zeichnung für

Vormagnetisierungsfeld. Es ist meistens erwünsch«, 30 einige Anwendungsbeispiele beschrieben. Darin zeigt j_o ._. 1, :._: r.ij : Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstel

lung einer ersten Art einer Richtungsleitung mit
einem homogenen Träger für die Wellenausbreitung,
i dh di Rih

daß man das Vormagnetisif rungsfe'd vernnge: η
kann, so daß das Gewicht und der Raumbedarf des
das Vormagnetisierungsfeld erzeugenden Magnets
verkleinert werden können. Als Beispiel sei daran
erinnert, daß die Sättigungsinduktion von reinem 35 leitung von F i tz. I,

g g

Fig. la einen Längsschnitt durch die Richtung-

Yttriumgranat 168OG beträgt, was einer kleinsten Betriebsfrequenz von 4700 MHz bei geringer Vormagnetisierungsfeldstärke entspricht. Im Fall eines durch Gd und Al substituierten Yttriumgranats ist die Induktion in einem Verhältnis von etwa 5 herabgesetzt, was einen Betrieb unter optimalen Bedingungen von 1000 MHz an ermöglicht.

Hinsichtlich des Dielektrikums ist es erwünscht, ein Material zu wählen, dessen Verlustfaktor in dem

Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Erregu;·.-der Richtungsleitung von Fig. 1,

Fig. 3 ein Kennliniend-^ramm des Erregers \\n
Fig. 2,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform des Erregers
von F i g. 2,

Fi ζ. 5 ein Kennliniendiagramm des Erregers von
F ig. 4,

F i 2. 6, 7 und 8 weitere Ausführungsformen des Betriebsfrequenzbereich möglichst klein ist und das 45 Erregers der Anordnung von F i g. 1, im allgemeinen eine Dielektrizitätskonstante aufweist, Fi 2. 9 und 11 Ausführungsformen von Richtungs-

die in der Nähe der Dielektrizitätskonstante der leitungen ohne aufgebrachte Belastung, Ferrits liegt. Im Fall der zuvor angegebenen Granate Fig. 10 zwei Kurven zur Erleichterung des Vcr-

liegt dieser Wert in der Nähe von 15. Die üblicher- ständnisses der Wirkungsweise der Richtungslcitunweise verwendeten Dielektrika (Aluminium-Beryl- 50 gen von Fig. 9 und 11,

lium-Titanate) können geeignet sein. Es sind .tuch die Fig. 12 ein Kennliniendiagramm der Richtungs-

Dielektrika mit Spinell-Struktur zu erwähnen, die in der französischen Patentschrift 2 070 436 beschrieben sind, die insbesondere dann von Vorteil sein können, wenn das gewählte magnetische Material die gleiche kristallstruktur aufweist.

Hinsichtlich des Oberflächenweilenerregers dienen
die bereits zitierten Arbeiten als Ausgangspunkt für
ihre Berechnung, und die Erfahrung ermöglicht es,
die optimale Ausführung in jedem besonderen Fall 60 lungsleitung von Fig. 14.

festzulegen. Es wird zu erkennen sein, daß in be- Fi a. 15 eine Ausführiingsform des Erregers bei

stimmten Fällen die Anwendung eine; kontinuicr- der Richtungsleitung von Fig. 14. liehen Vorrichtung bevorzugt wird, die sich von Fig. 16 ein Kennliniendiagramm der Richtungs-

;inem Anschlußglied zum anderen erstreckt. Bei leitung von F i g. 14, anderen Ausführungsformen erfolgt die Erregung 65 Fig. 17 eine perspektivische Ansicht einer anderen der Oberflächenwellen und ihrer Umwandlung durch Ausführiingsform der Richtungsleitung von Fig. 14, i\vei getrennte Vorrichtungen, die in den meisten ~"

Fällen die gleiche Form haben. Diese Vorrichtungen

leitung von F i g. 9,

Fig. 13 ein Kennliniendiagramm der Richtungsleitung von Fig. 11,

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht einer zweiten
Ausführiingsform einer Richtungs)eitun₆ nach ucr
Erfindung mit einem zusammengesetzten Träger für
die Wellenausbreitung,

Fia. 14 a eine Schnittansicht eines Teils der Rich-

Fig. 17a ein Kennliniendiagramm der Richtungs-Ieituna von F i 2. 17.

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Fi_2-]R eine weitere Ausführungsform der Richtunasieitung von F i g. 14,

Fi ti. 18a eine Ansicht des Anschlusses des Erreeers t>ci der Richtungsleitung von Fig. 17,

¹JTJg. 19 eine Ausführungsform des" Erregers der Richtungsleitung von F i g. 17,

Fi α. 20 ein Kennliniendiagram.n einer Richtunssleitunc der in F i g. 17 gezeigten Art.

Fis. 21 eine schematische Darstellung einer drit-

Resonanz aufweisen, von der zuvor die Rede war, unabhäncig von der Kristallstruktur. Es ist bekannt, daß am häufigrten zwei sehr verschiedene Familien verwendet werden: die Spinelle und die Granate.

Die F i g. 1 und 1 a zeigen eine nach der Erfindung ausgeführte Richtungsleitung (Isolator). Diese Richtungsleitung besteht im wesentlichen aus einer Plaüc 2 aus gyromagnetischem Material, die auf einer Metallplatte 1 aufliegt. Die Erregung der Oberteil Ausführungsform einer Richtungsleitung nach io flächenwelle erfolgt mit Hilfe einer sehr dünnen Meder Erfindung, die keine Masseebene aufweist," tallfolie 5. die in°Fig. la in Oberansicht zu sehen

ist. Die Metallfolie 5 endet an jeder Seite in einem Dreieck und liegt in der Mitte der Dicke des magnetischen Materials. Es gibt daher eine zweite Platte -

Fig. 2? ein Kennliniendiagramm einer Richtungs- 15 über der Metallfolie 5. Die Breite der Folie ist ausleitung der in F ig^21 gezeigten Art. " reichend groß, daß sich keine elektromagnetische

TEM-Welte in der Struktur ausbreiten kann, sondern sich aHein eine Oberflächenwelle ausbreitet. Die Breite der Platte 2 liegt in der Nähe der Breite der Metallfolie 5, ist aber gegenüber der Breite der Platte 1 (von unendlich großer Breite) so klein, daß sich eine Oberflächenwelle der Wellenform Quasi-TM (und keine TM-Welie) darin ausbreitet. Das senkrecht zu der Ebene der Platten 2. 2' stehende Vormagnetisierungs-Gleichfeld H wird von einem schematisch angedeuteten Magnet 8 erzeugt. Ferner ist ein Gehäuse 9 dargestellt. Eine die Höchstfirequenzenergie absorbierende Belastung 4 ist entlang den Platten 2 und 2' angeordnet.

30 Unter diesen Bedingungen weist da? magnetische \Vf:".:selfeld, wie in Fig. la dargestellt ist, eine longitudinal Komponente Hz auf. die senkrecht zu der^Komponente Hx steht. Die Polarisation des Magnetfeldes ist wenigstens elliptisch. Unter der Wirtungsgiibel bekannter Art, die mit Hilfe von Phasen- 35 kung des Magnetisierungsfeldes ist für eine gegebene schiebe η nach der Erfindung ausführbar ist, Richtung dieses Feldes die Permeabilität des Mate

rials größer als die Anfangspermeabilität //,„, und für die andere Richtung ist sip kleiner. Die Energie breitet sich in jeder Ausbreitungsrichtung auf der Seite aus. wo die Polarisation durch das Magnetfeld H die höchste Permeabilität ausbildet. Die Abmessungen der Platte 2 werden so gewählt, daß bei Abwesenheit des magnetischen Gleichfeldes die Polarisation des Wechselfelds nahezu eine zirkuläre PoIa-

Fig. 36 eine Schnittansicht zur Erläuterung der 45 risation ist und sich die ganze Energie außerhalb des Wirkungsweise der Richtungsgabel von F i g. 34 und Materials befindet. Sie wird dann von dem Dämp-

Fig. 37 ein Kennliniendiagramm zui Eiiauterung fungsglied 4 absorbiert, das entlang der Platte 2 ander Wirkur.esweise der Richtungsgabel von F i g. 34! geordnet ist. Die Richtung des Vormagnetisierungs-

In der folgenden Beschreibung sind ur Erleichte- Gleichfeldes ist so gewählt, daß sich die Energie in rung des Verständnisses der Figuren die deichen Be- 50 der Vorwärtsrichtung auf der dem Dampfungsglied zupszeichen bei den verschiedenen Ausführungsfor- entgegengesetzten Seite ausbreitet, so daß der Em-

men beibehalten und die folgenden Übereinkünfte ^f::" -»-'"- ·»"»» ^-'^ ^T- ^ Ri»-i.^rKnrn-

beachtet worden: Das gyromagnetische Material ist durch einfache schräge Schraffierungen dargestellt, die Mnssecbene (Leiter) ist ohne Schraffierung dar- »■ MeIIt. die Oberfiächenwellencrreger (Metallisierung) sind durch gekreuzte schräge und zueinander senkrechte Schraffierungen dargestellt, die absorbierenden Belastungen sind durch doppelte Schraffie- - - ■ _a

rungcn bezeichnet, die aus horizontalen Linien und 60 1.5 mm. Die für die Erregung verwendete Mctallaus'schrägen Linien bestehen, und die dielektrischen folie 5 aus Kupfer ist zwischen den beiden Platten Teile sind durch eine Rasterung gekennzeichnet, die
aus gekreuzten horizontalen und vertikalen Linien
gebildet ist. Ferner werden in der folgenden Be-

Fie. -2 eine Ansicht des Anschlusses des Erregers bei einer Richtungsleitung der in Fig. 21 gezeigten Art,

Fic. 24 eine Richtungsleitung mit zylindrischer Struktur.

Fis. 25 einen Erreger für eine Richtungsleituns der inF i g. 24 gezeigten Art,

Fig. 26 eine Phasenschieberstruktur mit einem homoaenen Träger für die Wellenausbreitung nach der Erfindung,

Fig 27 das Kennliniendiagramm des Phasenschiebers vor. F i g. 26,

Fig. 28 eine andere Ausführungsform einer Phasenschieber^ ruk;ur nach der Erfindung mit zusammensese'.^tem Träger für die Wellenausbreitbnp

Fi?. 29 das Kennliniendiagramm des Phasenschiebers von Fig. 28,

Fig. ■?<> das Blockschaltbild einer Richtungsgabel bekanr.ier Art, die mit Hilfe von Phasenschiebern nai.fr >■-'<■ Erfindung ausführbar ist, Fie. 31 das Blockschaltbild einer anderen Rich-

F i c 32 eine dreiarmige Richtungsgabel nach der Erfindung.

Fi α 33 das Kennliniendiagramm der Richtungsgabel von Fig. 32,

F i ·χ. 34 eine vicrarmige Richtungsgabel nach der ErfT.iiung-

!•ig. 35 das Kennliniendiagramm der Richtungsgabel von Fig. 34,

fügungsverlust gering bleibt. In der Rückwärtsrichtung läuft die Energie in dem Dämpfungsglied 4, in dem sie absorbiert wird.

Bei einer besonderen Ausführung ist das gyromagnetische Material der beiden Platten 2 und 2' Yttriumgranat, dessen Sättigungsinduktion in der Nähe von 1700 Gauß liegt. Die Länge der Platten beträgt 55 mm. ihre Breite 10 mm und ihre Dicke

angeordnet und hat eine Breite von 10 mm und eine Dicke von 0,05 mm.

Eine Vorwärtsdämpfung von weniger als 2.5 dB

Schreibung die Ausdrücke »Ferrite«, ^magnetisches 65 ist im Frequenzband von 3,5 bis 8.:^: GHz für eine Material« und »gyromagnetisches Material« unter- Rückwärlsdämpfung von etwa 15 dB im gleichen schiedslos für die Bezeichnung von Stoffen vcrwcn- Frequenzband erhalten worden,
det. welche die Erscheinung der gyromngnctischen Bei einer Ausführungsform der Anordnung von

409 519/279

¹⁷ _{Λ lfpr} die-r entlang seiner Längssymmetrieachse in ^

Fig. 1. bei der zwei Yttriumgranatplatten doppelter d _{zerschnitten orden} ,stund daß zwjschende*

Breite, also mit etwa 20 mm, verwendet werdenbe _{und den}. Ausgang erne Urymmetne in _der ;

trägt die erhaltene Vorwärtsdämpfung etwa , ^m - ^ _Leiterfo he S fur die Erregung der Ob₀. ^nn zu

gleichen Frequenzband, aber die Rückwan-.rnp_ ^^^ eingeführt jorden isDk= Oberfl_ächen. ξ J^_n. _c

hing ist kleiner als 6 dB. Die Verringerung de. Nie.Λ _wellen._Errege^latte hat dann die Form emes _ge. _{der Eber}

reziprozität läßt sich leicht erklären. Wenn namheh _eradlinigen Sechseck mt einer gr_oßeil > <£ _i

die Breite des magnetischen Materials vergrößert ^ _{ejner k] Seite} die zueinander.parallel ,: f_ührt wer

wird, wird die Ausbreitung der Gnindwellenfo m TM ^. _{die b} ,den sich and« große Seite _Sent , ^ _Trai

begünstigt. Diese Wellenform weist aber emelneare ^ ^ ^ _anschl!eß_enden Seiter, unterschied^ ^ _Ferri

Polarisation des magnetischen Wechseltet es , _Läneen haben. _{n u}- u α λ, ' Fi"- 8 e

wodurch die nichtreziproke Erscheinung (durch _F;_raer ist in der Metallschicht oder MetalUoHeS : ^₆ elel

Wechselwirkung mit dem äußeren Vormagnetwe _e;„_{pAnzahl von} strahlenden Schlitzen 10 angebracht, u„d5' di

rungsfeld) unterdrückt wird. . _{d ren} Abmessungen so bemessen sind daß sie bei -leitung 6

Der in Fig. 1 gezeigte OberflächenwellenerregerS d _{Mittcnfrequen}z des Bandes oder bei mehreren J sind,

weist eine Svmmetrieachse parallel zur Ausbauun s _{5 hiedenen Fre}quenzen im Band strahlen können. _Ferritplai

richtung auf. Die in Fig. 2 gezeigte Variante zei t ^^ _{lish e}in einziger strahlender Schlitz geeig. J_jnes ^F _Ma

diese Symmetrie nicht mehr. Sis ermöglicht die tr- -.^ ^^ verwendet werden. Em zusätzliche _einc Fon

zielune einer Verbreiterung des Durchlaßbanaeb u^ r^mpfunssalied 11 (das von dem Dampfungsglied4 «-ährleist«

so gebildeten Richtungsleitung. Wie zu erkennen^i t, —^ f _verSchieden ist) wird dann über den fischen

endet der Erreger S in Übergangsabschmttcn bauchi _{nckn ScnlitZ}en angebracht, damn es die _aas. _{; dämp}fun..

ger und unsymmetrischer Form. Die Übergangszonen «r ^ _7Usätzliche Energie absorbiert. Demzufow _Di_e bi

sind durch Bögen 51, 52, 53 und 54 begrenz,, a.e =^ _Ge,._amtrückwärtsdämpfung sehr viel größer ^ _t,_iren ent

zur Symmetrieachse der Platte hin konvex sin... v.nu ;'; _]ircnd ,,;_c \'_orwärtsdämpfung unverändert bleibt. '■ line Hilfdiese Bögen enden an Punkten, die m untcschie·-- ^ - vorrundensein des Dämpfungsgl.cds 11 verhu,. on"eDaßt liehen Abständen c, bzw. C₂ von der Langsachse .Jit -a ^-^ _{djc B£ibchaltung der} zweiten Ferritschicht2' : _me"_sten 1

Richtungsleitung liegen, welche durch die die ui. V₀.-, Fi" i- einem di

gungspunkte verbindende Gerade definiert ist. ^ '^ S^₁₇* 10 ergeben eine starke Zunahme der I _s;_nd im 1

Die Vergrößerung des Durchlaßbandes infolge ucr _R^_kw:_ir._sdämpfung, wie die beiden Kurven 69 und ^} _men von

unsymmetrischen Ausbildung des Erregers wiiu nu.n ^ ^ _ρ. ^ _{5 ze{ge}^ _wobei die Kurve 69 für einet I a[_c Rolle

bei "allen anderen Strukturen erhalten, die r.aui- _ύ ^^^ ^ _{der mit v}{_er Schlitzen von 2X3mm _W'irtsrich'

stehend beschrieben werden, insbesondere y._ Jen ^_s^_sta^_ct i_S[. die eine maximale D!impfung in der _L\_mo der

Strukturen ohne Masseebene 1 (Fig. 21) und ou ei. ^ ■= ^ ^ _{GHz ergeben}, während die Kurve70für _v ;_r| Die

Strukturen der in Fig. 8 gezeigten Art, bei denen ^ ;_kr,_hcil Erreger ohne Schlitze gut. _{dner p},_a

keine elektrische Kontinuität zwischen den koaxiaiai ^ v_crn_naerung der Einfügungsverluste sind vier ^ebcnei

Innenleitern der Eingangs-und Ausgangs-brregun^- o. - hinzugefügt, die auf dem Vorwärtsweg und der

leiter besteht, sowie bei den Strukturen rnit zusam- ^'^,^^^g i_iegen. Nach dem gleichen si ^_{Tm zm}

mengesetztem Ausbreitungsmedium (M g- '-*i- d'inkcn den" srößten Teil der Energie des Ferrits ir. _z-,veite ΡΪ

Eine praktisch hergestellte Richtungsleitung der m ^ _Kii^_vvärf_srj_ch_tung _zu den Dämp[ungsgliedern4 vollständi

F is. 2 gezeigten Art, die unterhalb 1000 MK/. x- ^ ^ ^ _{]citen js{ es auch mög}iicli. möglichst viel Struktur;

trieben wurde, hatte die folgenden Abmessungen und _Encr„_{ic in cier} Vorwärtsrichtung mit Hilfe der strah- ' Daß si>

Eigenschaften: lcndeii Schlitze 12 außerhalb des Ferrits laufen zu j ,äaer fü

_c = 5 mm lassen. Um jedoch eine möglichst kleine Vorwärts- , _a]_s Dämr

c = lⁿ mm dämpfung zu erhalten, ist es notwendig, die auf dem _vcn von

Breite der Ferritplatte 2 55 mm. ^ Vorwärtsweg liegenden Schlitze mit einem Dielektri- »Microw;

Länge der Ferritplatte2 82 mm. j.._lim 13 _Von geeigneter Dielektnzitaiskonstante zu _und But

Dicke der Ferritplatte 2 1,5 mm. bedecken. Auf diese Weise kann eine Verringerung _cntnomm

Dicke der leitenden Folie 5 0.05 mm. _der Einfügungsverluste von 0,5 dB im Durchlaßband den Real-Das magnetische Material der Platte 2 war ein ⁰¹¹J^p" J^CJ ^d sowohl die Schlitze auf dem Vor- Wclen" Granat vom Typ Cal-Van-Big (Calcium-Vanauium- 5° _wärtsweg ^b _{a]s auch die} Schlitze auf dem Rückwärts- . .,_e<,_Cn2esL Wismut-Granat). dargestellt, doch kann man sich natürlich je nach 'das äuße F i g. 3 zeigt experimentelle Kurven der Dämpfung β ^wünschten Zweck auch nur mit einer einzigen Richtuna als Funktion der Frequenz einerseits fur einen über- _Reihe ^fc _{von Schlitzen} begnügen. _stcht. Dk flächcnwellenerreger mit symmetrischem Eingang una _{ß sind die jm Erreger} angebrachten man für Ausgang nach Fi g. 1 a und andrerseits fur einer,. un- 55 ^ ^^ _Löchef ^ ^^^ _{dje durch} ^ ^

symmetrischen Erreger nach Fig. 2. Die Kurww _ferrirna«_nctischc Material gebohrt sind und die ent- Material

bezieht sich auf einen symme nschen E. reger ^ g^ ^ ^ ^ _{dielektrischen pfropfen} „. _{fenden p}

(Fig. la) mit C₁ = c = 5 mm, die Kurve 61 gi t _{deren Dielektrizitatskonstant}e von der- Maxima ■

für einen symmetrischen Erreger (F ig. a) mit ?- _agnetischcn Materials verschieden des ange

C₁ = c, ^ 10 mm und die Kurve 62 g.lt fur emen g _Un„_el_keiten für die Rückwärtswellc Werten c

unsymmetrischen Erreger (t ig. 2) mit C₁ - ^ mm ^ _{ß ebcncnfa}„_{s {ür die} Vorwärtswelle einführen, zunimmt,

und C₂ - 10 mm. , _P Schließlich sind in F i g. 7 die Unstetigkeiten durch zwischen

F i g. 4 zeigt eine andere Ausfuhrungsform des Er- ^^e\₅ ^ _{der seitli}|_{hen Fläche des ferriraagne}. _Ferrit hc

regers, die noch bessere Leistungen ermöglicht (u. a. ^eπ«ⁿ" ^ _{bild t} = _{m Bl}

hinsichtlich der Rückwärtsdämpfung und der Band- 6₅ üschc, ^[f^^ wurde, breiten sich in der «

^brAr Erreeer S der Richtungsleitung von F i g. 4 ist Richtungsleitung Hybrid-Oberflächenwellen aus, d_h„ Feld in

aus^emSnvonFig.2Lurch⁸abgeleit5,daß daß die Welle Komponenten des magnetischen legen ein.

wei Wechselfeldes in den drei Achsrichtungen eines Be- den Frequenz ist es dann möglich, die Ferrite außerlem . zugskoordinatensystems hat. Es ist also möglich, halb der Resonanz mit geringeren Verlusten zu be^der · nichtreziproke Cberflächenwellenanordnungen auch treiben. Das angelegte "Magnetfeld hat dann die ■>er- ι dann zu erhalten, wenn Gleichfeidi;r angewendet entgegengesetzte Richtung wie das Feld, da= die ien- ; werden, deren Richtungen nicht immer senkrecht zu 5 gyromagnetische Resonanz verursacht,
ge- j der Ebene des Ferritplättchens sind. Insbesondere Bekanntlich besteht die Möglichkeit, jede nicht ßen : können Anordnungen mit einem Gleichfeld ausge- ebene Welle in zwei in entgegengesetzten Richtungen illel j führt werden, das eine Longituduialkomponente und zirkulär polarisierte Wellen zu zerlegen. Aus den nk- j eine Transversalkomponente parallel zu der Ebene Kurven von Fig. 10 kann festgestellt werden, daß ^cr"-e j der Ferritplatte hat. Ein Ausführungsbeispiel ist in io für eine Drehrichtung des Magnetfeldes (in der Zeich-Fig. 8 gezeigt; sie bezieht sich auf eine Struktur nung durch das Minuszeichen dargestellt) die beiden ie 5 I ohne elektrische Kontinuität zwischen den Erregern 5 Komponenten der Permeabilität bei Änderung des =ht, ; und 5', die mit den innenleitern der Eingangskoaxial- äußeren Feldes praktisch konstant und nur wenig bei I leitung 6 bzw. der Ausgangskoaxialleitung 7 verbun- von ihrem Wert bei dem Vormagnetisierungsfeld ren j <jen sind. Ein transversales Gleichfeld parallel zu der 15 >i_ull verschieden sind. Dagegen gehen für die mit ien. ] Ferritplatte 2 wird von den Magnetpolen 16 und 17 dem Pluszeichen bezeichnete Welle die Verluste,« J' "ig- ■ eines Magnets erzeugt. Die Erreger 5 und 5' haben durch ein sehr beträchtliches Maximum, das der hes j eine Form, die eine richtige Impedanzanpassung ge- gyromagnetischen Resonanzerscheinung entspricht. d4 \ uährleistet. Im X-Band sind Unterschiede von 2OdB |>ie Änderungen der zweiten Komponente μ ₊' der den j zwischen der Vorwärtsdäinpfung und der Rückwärts- 20 Permeabilität sind ebenfalls sehr beträchtlich. Wie ••us- j dämpfung erhalten worden. bereits einleitend erläutert wurde, weist eine 'Ige j Die bisher beschriebenen Richtungsleitungsstruk- TM-Oberflächenwelle oder Hybridwelie wenigstens Ser, j türen enthalten eine Belastung 4 (und gegebenenfalls zwei Komponenten des Magnetfelds auf, von denen ibt. \ eine Hilfsbelastung 11), die bei der Betriebsfrequenz die eine parallel zu der Ausbreitungsrichtung liegt. ^un" ! angepaßt ist. Derartige Belastungen, die in den 25 Wie in F i g. 1 a angegeben ist, bildet sich in dem 12' meisten Fällen durch ein Eisenpulveragglomerat in gyromagnetischen Material eine Oberflächenwelle i einem dielektrischen Plastikmaterial gebildet sind, aus, deren Polarität von der Symmetrieachse der der _sind im Handel erhältlich. Bei den Ausführungsfoi- Struktur aus immer elliptischer wird, wobei die Drehend : inen von F i g. 9 und 11 übernimmt der Ferrit selbst richtung des Magnetfeldvektors auf der einen Seite nen ; die Rolle, die Höchstfrequenzenergie in der Rück- 30 der Achse entgegengesetzt zu derjenigen auf der annm 1 wärtsrichtung zu absorbieren, wodurch die Ausbil- deren Seite der Achse ist. Im Fall einer unsymmeder jung der Richtungsleitungen beträchtlich vereinfacht trischen Erregung (F i g. 2, 4, 6, 7) ist auch die Auffür vvird. Diese bestehen dann nämlich ausschließlich aus teilung der Energie auf die Komponenten der ellipeiner Platte 2 aus gyrnmagne'.ischem Material, die tisch polarisierten Welle mit entgegengesetzten Dreh-/ier gegebenenfalls auf eine Leiterplatte 1 aufgebracht ist 35 richtungen des Magnetfelds gleichfalls unsymmeveg und der ein Oberflächenwellenerreger 5 geeigneter trisch, und man kann durch Verwendung eines Ober-3e-Form zugeordnet ist. Die Struktur wird durch eine flächenwellenerregers der in F i g. 4 gezeigten Art ■ in zweite Platte 2' aus gyromagnetischem Material ver- praktisch die ganze Eingangsenergie (Wellenform η 4 vollständig!, die auf die in der Zeichnung dargestellte TEM) in einer der beiden Oberflächenwellen konväel Struktur aufgelegt wird. 40 zentrieren, die sich in einer Wellenform Quasi-TM ah- 1 Daß sich das magnetische Material gleichzeitig als oder TE₁₁ ausbreiten. Dies kommt darauf hinaus, zu ; Träger für die Ausbreitung der Oberflächenwelle und daß nur eine der beiden durch die Symmetrieachse "ts- als Dämpfungsglied verhält, kann an Hand der Kur- begrenzten Hälften der Struktur von F i g. 1 a in Beem ■ ven von Fig. 10 erklärt werden, die aus dem Buch tracht gezogen wird. Unter diesen Bedingungen wird tri- »Microwave ferrites und ferrimagnetics« von Lax 45 das gesamte Volumen des magnetischen Materials zu und Button. Verlag McGraw Hill, 1962, S. 300, von einer Welle + (oder einer Welle —) eingenom- >ng entnommen sind. Diese Kurven zeigen bei 9 GHz men, wenn die Bezeichnungen des zuvor angegebeind den Realteil und den Imaginärteil der skalaren Per- nen Buches aufgegrillen werden. Die sich in der incabiliiät, wie sie für zwei zirkulär polarisierte Rückwärtsrichtung ausbreitende Energie erscheint or Wellen erscheint, deren Magnetfeldvektoren in ent- 50 also zum größten Teil als eine Welle — (bzw. eine fts- gegengesetzten Richtungen drehen, für de.i Fall, daß Welle ).

^icn das äußere magnetische Gleichfeld senkrecht zu der Wenn in dem Ferrit zwei nebeneinanderliegende

l^cn Richtung des Höchstfrequenz-Magnetfeldvektors Magnetfelder mit unterschiedlichen Werten ausgestellt. Die gleiche allgemeine Form der Kurven findet bildet werden, die so gewählt sind, daß die diesen

ten man für alle jyrcmagnetischen Materialien bei Fre- 55 beiden Werten entsprechenden Permeabilitäten

las quenzen, die sehr verschieden sein können. Für ein wenigstens in einer Ausbreitungsrichtung deutlich

nt- Material behalten diese Kurven, je nach den betref- verschieden sind und die magnetischen Verluste für

14' fenden Frequenzen, die gleiche Form, wobei sich die einen dieser Werte in der Rückwärtsrichtung groß

er- M;ixima und Minima in Abhängigkeit von dem Wert sind, erhält man eine Absorption der Energie durch

Icn des angelegten Feldes im allgemeinen zu höheren 60 His rr.iignetische Material selbst in der Rückwärts-

:lle Werten des Feldes verschieben, wenn die Frequenz richtung.

sn. zunimmt. Im Fall von niedrigen Frequenzen (UHF Unter Bezugnahme auf die Kurven von Fig. 10 ch zwischen 100 und 1000 MHz) kommt es vor, daß der ist zu erkennen, daß zwei ziemlich verschiedene Bcne-Ferrit hohe Verluste beim Feld Null aufweist, was triebsarten angewendet werden können. Die Wahl einem Betrieb jenseits der gyromagnetischen Reso- 65 erfolgt auf Grund der Eigenschaften der verfügbaren ler nanz entspricht. Mit anderen Worien liegt das innere Ferrite unter Berücksichtigung des gewünschten Beil., Feld in der Nähe des Resonanzfeldes. Durch An- triebsfrequenzbereichs. Der erste Fall gilt für Ferrite en legen eines Größeren Magnetfeldes bei der betreffen- mit großen Verlusten bei dem Magnetfeld Null, d. h.

für Ferrite, die bei der Betriebsfrequenz für ein äußeres Magnetfeld Null gesättigt sind. Das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes an ein solches Material verschiebt die gyromagnetische Resonanz zu höheren Frequenzwerten. Die Richtung und der Wert des angelegten Feldes werden dann so gewählt, daß der Ferrit diesseits der Resonanz magnetisiert ist. so daß die Verluste verringert werden. Diese Betriebsart ist besonders für niedrige Frequenzen (einige 100 MHz) interessant. Die zweite Betriebsart erfordert das Anlegen von zwei unterschiedlichen und von Null verschiedenen Werten A und B des Magnetfelds (Fig. 10), die größer als der der gyromagnetischen Resonanz entsprechende Wert. sind. Diese Betriebsart entspricht derjenigen, die bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist. Im allgemeinen sind die erhaltenen Kennlinien besser, wenn dem Ferrit ein angepaßtes Dielektrikum (gleiche Produkte με) zugeordnet ist, wie später an Hand von Fig. 14 genauer erläutert wird.

F i g. 9 ist eine Oberansicht einer Richtungsleitung, die durch eine im wesentlichen lechteckigc Ferritplatte 2 gebildet ist. die auf eine Metallplatte 1 aufgebracht ist. Auf dem Ferrit ist der Oberflächeriwellenerreger 5 angeordnet, der durch eine Metallfolie gebildet ist, die mit den Innenleitern der koaxialen Eingangs- und Ausgangsanschlüsse 6, 7 in Kontakt steht. Die Form der Platte 2 und die Form der Folie 5 sind so gewählt, daß die Führung der Wellen und die Absorption der Energie in der verlustbehafteten Zone des Materials 2 in der Rückwärtsrichtung begünstigt werden.

Der Oberflächenwcllenerreger 5 erscheint in Form eine*. Sechsecks, das an ik-i kleineren der beiden parallel zur Ausbreitungsrichtung liegender» Seiten durch ein Rechteck S₁ verlängert ist. Wie zu erkennen ist, ist die Platte 2 aus gyromagnetischem Material in der Nähe des rechteckigen Abschnitts S₁ des Erregers S durch Abschrägungen 2_V 2., abgeschnitten. Eine zweite Ferritplatte,"die der F'erritplatte 2 gleich ist, wird im allgemeinen auf die Oberflächenwcllenerregungselektrode 5 aufgelegt. Die so gebildete Anordnung wird in ein Metallgehäuse eingebracht, und in der oberen Hälfte der Struktur wird ein Magnetfeld ausgebildet, das senkrecht zu der Zeichenebene steht und nach vorn gerichtet ist. Diese Struktur enthält, im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, keine absorbierende Belastung. Die Form des Erregers 5 ermöglicht, wie bereits zuvor an Hand von F i g. 2 erläutert wvrde, die Ausbildung einer nichtreziproken unsymmetrischen Welle, d. h., daß eine der beiden zuvor erwähnte:¹. Wellen —

ίο und — auf Kosten der anderen Welle begünstigt wird.

Eine solche Struktur ist im Hinblick auf die Bildung einer Richtungsleitung untersucht worden, die im unteren Bereich der Höchstfrequenzen zwischen 200 und 400 MHz arbeitet. Bekanntlich ergab die Ausbildung von Vorrichtungen, bei denen die Eigenschaften gyromagnetischer Materialien angewendet wurden, bisher sehr schwerwiegende Probleme bei so wenig hohen Frequenzen. Der verwendete Ferrit ist durch einen Wert 4.-tM_s = 900 Gauß/cm³ gekennzeichnet, wobei M_s die Sättigungsinduktion ist. Das äußere Magnetfeld beträgt etwa 450 Oersted und der Stehwellengrad ist kleiner als 2 im Frequenzband. Die geometrischen Abmessungen des rechteckigen

Teils der Platte 2 betragen 82 mm X 60 mm X S ir.ni. Der Erreger 5 besteht aus Messing mit einer Dicke von 0,05 mm. Die leitende Platte 1 bildet eine Wand des Gehäuses. Wie au? Fig. 12 zu erkennen ist, erhält man zwischen 220 und 380 MHz Einfügungs-Verluste von weniger als 4 dB, die in der Mitte dos Frequenzbandes 2 dB erreichen, und eineRückwnnsdämpfung von mehr als 13 dB, die in der Mitte des Frequenzbandes 18 dB erreicht. In der folgenden Tabelle 1 sind die Werte der Vorwärtsdämpfunir v

und der Rückwärtsdämpfung \_; einerseits für die Struktur von F i g. 9 angegeben und andrerseits für eine Richtungsleitung mit gleichen Abmessungen, bei welcher der untere Teil der Ferritplatte (d. h. der Teil zwischen den Abschrägungen 2, und 2.,) durch eine absorbierende Belastung gleicher Form ersetzt ist, die durch ein Agglomerat auf der Basis von Eisenpulver gebildet ist, wie es üblicherweise angewendet wird.

Tabelle 1

	200	220	240	260	280	/ 300	320	340	360	380	400
Eisenpulver	6,5 7	6,5 7,5	6 8	5 9,5	5 14	2.5 18	2 16	1,4 9	1 8	1,5 8	2.4 8
LT;	5	4	3,5	2,7	2.2	j	■> ·>	2,3	2,5	3	3,4
Ferrit i\.i	12	14	15	15	15	16	16	15	13	13	12
«i

Die Betriebsbedingungen dieser Anordnung entsprechen der zuvor erwähnten ersten Betriebsart, d. h. der Anwendung eines äußeren Vormagnetisierungsfeldes, das kleiner als das Feld ist, das der gyromagnetischen Resonanz in dem Betriebsfrequenzbereich entspricht. Die Vorwärtsrichtung entspricht der Welle— und die Rückwärtsrichtung entspricht der Welle+ in Fig. 10. Das Vormagnetisierungsfeld wird etwa in der oberen Hälfte der Struktur angelegt. Es ist zu erkennen, daß unter diesen Bedingungen die Richtung des äußeren Magnetfeldes für eine gegebene Vorwärtsrichtung umgekehrt zu der Richtung ist, in der das äußere Magnetfeld bei dem zuvor beschriebenen und bei höheren Frequenzen arbeitenden Anordnungen angelegt wird.

Ferner ist zu erkennen, daß der Gütefaktor «,·/«,,

der Richtungsleiiung mit einer Belastung aus Ferrit besser als derjenige der Richtungsleitung mit einer Belastung aus Eisenpulver ist. Die Verwendung des Ferrits selbst als absorbierendes Material vereinlacht die Herstellung der Anordnung und verbessert die Anpassung der Welle vor allem in der Rückwärtsrichtung.

F i g. 11 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Form der als Oberfiächenwellenerreger verwendeten Metallisierung 5 dadurch stetiger gemacht ist. daß .■ine zum Teil gekrümmte Trapezform angewendet wird, wie in der Zeichnung dargestellt ist. Eine solche Struktur ist zur Bildung einer Richtungsleiiung für einen Betrieb zwischen 200 und 300 MHz verwendet worden, wobei als gyromagnetisches Material ein Granat verwendet wurde, dessen Sättigungsinduktion iurch 4 .7M₅ = 400 Gauß/cm³ gekennzeichnet war. Das Magnetfeld wurde so ausgebildet, daß der außerhalb des Magnetfelds liegende Teil der Struktur die Abmessungen 104 mm ■ 10 mm ■' 12 mm hatte. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 13 dargestellt. Es ist festzustellen, daß zwischen 22^ς und 300 MHz die Einfügungsverluste .\_d unter 2,5 dB bleiben und daß die Verluste in der Rückwärtsrichtuns, größer als 11 dB sind.

Die Richtungsleitungsstruktur ohne aufgebrachte äußere Belastung ergibt auch dann Vorteile, wenn tier Träger für die Ausbreitung der Höchstfrequenzwelle komplex ist (gyromagnetisches Material und ■ dielektrisches Material), wie später angegeben wird. j "ine solche Richtungsleitung ist so ausgeführt, daß •ich die Energie in der Vorwärtsrichtung hauptsächlich im Dielektrikum ausbreitet. In der Rückwärts- { richtung erfolgt die Ausbreitung in der Zone des Ferrits, die starke Verluste aufw· '"t. Diese Zone ist vorzugsweise diejenige, die am weitesten vom Dielektrikum entfernt ist.

In bestimmten Anwendungsfallen mit sehr großer Bandbreite ist es notwendig, eine besser definierte zirkuläre oder quasi-zirkulare Polarisation des magnetischen Wechselfeldes zu erhalten; ferner kann die in der Vorwärtsrichtung nicht absorbierte Energie, die sich außerhalb des Materials ausbreitet, durch das Vorhandensein eines einschließenden Metallgehäuses oder durch Umgebungskreise gestört werden.

Die Untersuchung der Ausbreitung einer Oberflächenwelle in einer komplexen Struktur (magnetisches Material und dielektrisches Material) zeigt, daß I das Vorhandensein des Dielektrikums die Ausbildung I einer zirkulären Polarisation des Magnetfeldes der 1 Hochfrequenzwelle begünstigt. Das Vorhandensein j des Dielektrikums erzeugt nämlich eine longitudinale ;| Komponente des elektrischen Feldes auf Kosten des ;| transversalen elektrischen Feldes. Jede Änderung ■I des elektrischen Feldes ist aber von einer Änderung 3 des magnetischen Feldes begleitet und umgekehrt.

I Das Vorhandensein einer longitudinalen Komponente

II des elektrischen Feldes läßt daher eine longitudinale I Komponente des Magnetfeldes entstehen, welche die ;| Magnetfeldkomponente verstärkt, die auf der end-I liehen Abmessung des Plättchens aus gyromagnetii| schem Material beruht. Das Vorhandensein des Di-

^iis elektrikums macht es ferner möglich, eine bevorzugte elliptische Polarisation zu erhalten; es gibt nicht mehr, wie im Fall der Struktur mii einem einzigen homogenen Material (Fig. 1) zwei Wellen mit elliptischer Polarisation des Magnetfeldes in jeder Ausbreitungsrichtung, sondern eine deutlich überwiegende Welle.

Dies ergibt den zusätzlichen Vorteil, daß dem gyromagne'ischen Material eine beträchtlich größere Wirksamkeit erteilt wird. Diese quasi-zirkulare Polarisation ist besonders günstig für eine wirksame Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Weehselfeld und dem an das Ferritmalerial angelegten Vormagnetisierungs-Gleichfeld und begünstigt demzufolge die nichtreziproke Eigenschaft einer solchen Struktur.

ίο Fig. 14 zeigt die Anordnung von Fig. 1 für den Fall einer Richtungslcitung. bei welcher ein nichthomogener Träger für die Wellenausbreitung verwendet wird. In der Praxis erfordert die Ausbreitung der Oberflächenwelle in dem zusammengesetzten Material 2. 3 die elektrische Kontinuität der Struktur in der Vorwärtsrichtung, damit eine annehmbare Einfügungsdämpfung erhalten wird; zu diesem Zweck müssen die Wellenwidcrstände der beiden Leitungsabschnitte entsprechend eingestellt werden. Die Bedingungen der Phasengleichheit und der Amplitudengleichheit sind vor allem notwendig, damit sich die Oberflächenwelle nicht wenigstens teilweise in eine abgestrahlte Welle umformt.

Da die Permeabilität des Ferrits ein Tensor ist und das Ausbreitungsmedium einem Vormagnetisierungsfeld in der Richtung der v-Achse ausgesetzt ist. ist der Wert der Permabilität in den Richtungen der y-Achse und der .v-Achse nicht gleich, sondern er hängt von der Orientierung der Ausbreitungsrichtung (c-Achse) in bezug auf die .vy-Ebene ab. In der Vorwärtsrichtung ist die Permeabilität in der Richtung der y-Achse (parallel zu dem magnetischen Gleichfeld) mit //.„ bezeichnet. Wenn das magnetische Gleichfeld sehr schwach ist. liegt ii_in in der Nahe der Anfanaspermeabilität (bei dem Vormagnetisierungsfeld Null), während man in der Richtung der .v-Achse findet, daß sie in der Nähe der Komponente der Permeabilität entlang der z-Achse liegt. In der Folge soll dieser Wert mit //,·,/ bezeichnet werden. Er kann, je nach den Betriebsbedinungen und der Art des Ferrits, kleiner oder größer als «_io sein.

Damit die Oberflächenwelle aufrechterhalten wird, müssen die Phasenverschiebungen der im gyromagnetwchen Material und der im Dielektrikum übertraaenen Welle gleich sein. Dies bedeutet, daß die geometrischen und elektrischen Parameter des Mediums im wesentlichen die folgenden Gleichungen erfüllen müssen:

fifo ⁼

- f'd

Darin sind s_f die Dielektrizitätskonstante des Ferritmaterials, e_d die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums und fi_d die Permeabilität des Dielektrikums, die gleich derjenigen des Vakuums ist. Die Bezeichnungen /i_l0 und u_fd haben die zuvor definierten Bedeutungen. a_x und a.₂ sind die Abmessungen des Ferrits bzw. des Dielektrikums in der Richtung der Ar-Achse.

Diese Formen gelten sowohl für die Struktur von Fig. 14 (mit Maßebene) als auch für die Struktur von F i g. 20 (ohne Maßebene).

65 Es soll nun genauer die in Fig. 14 und 14a dargestellte Ausführungsform einer Richtungsleitung beschrieben werden, bei der ein aus einem gyromagnetischen Material und aus einem dielektrischen Mate-

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rial zusammengesetztes Medium für die Wellenausbreitung verwendet wird. Die Richtungsleitung besteht im wesentlichen aus einer Metallplatte 1, auf der einerseits eine Platte 2 aus magnetischem Material und andererseits eine Platte 3 aus dielektrischem Material aufliegen. Die magnetische Platte 2 hat die Breite a_v und die dielektrische Platte 3 hat die Breite «.,; beide Platten haben die gleiche Höhe b. Die Ausbreitungsrichtung liegt senkrecht zu dem Querschnitt (^₁ · a₂) b des Mediums. Die Richtungsleitung enthält ferner ein Dämpfungsglied 4, das auf dem Dielektrikum 3 angeordnet ist und die gleichen Abmessungen wie dieses hat. Die Erregung der Oberflächenwelle erfolgt durch einen metallischen Auftrag S, der in Fig. 15 in Oberansicht dargestellt ist. Praktisch besteht das magnetische Material 2 aus zwei übereinanderliegenden Plättchen, wobei die Oberseite des unteren Plättchens den metallischen Auftrag 5 trägt, dessen Form aus Fig. 15 zu erkennen ist. Die Richtungsleitung enthält ferner einen Eingangsanschluß 6 (Fig. 14a) und einen gleichartigen Ausgangsanschluß 7, für die Verbindung mit den Speisebzw. Verbraucherschaltungen und einem Permanentmagnet 8 für die Ausbildung des Magnetfeldes H in dem Material der Platte 2. Ein Gehäuse 9 kann für den mechanischen Schutz der Anordnung verwendet werden; es trägt natürlich nicht zur Wellenausbreitung bei und hat eine rein mechanische Aufgabe; es ist daher nicht unbedingt notwendig, da die Struktur der Richtungsleitung eine ausreichende Festigkeit hat. Die von den Teilen 1, 2, 3 gebildete Anordnung ist eine Harms-Goubau-Leitung, die eine Oberflächenwelle vom Typ Quasi-TM übertragen kann. Wenn man sich auf die Theorie bezieht, ist festzustellen, daß die Ausbildung der Wellenform TM unendlich großen Werten von O₁ und a₂ entspricht. Im vorliegenden Fall kann man annehmen, was auch durch die Erfahrung bestätigt wird, daß die Oberflächenwelle sich in einer solchen Struktur in einer Quasi-TM-Wellenform ausbreitet. Bei dieser Ausbreitungsform liegt die überwiegende Komponente des elektrischen Feldes parallel zu dem Vormagnetisierungs-Gleichfeld H. Unter diesen Bedingungen würde das Vorhandensein des für die Erregung der Oberflächenwellen verwendeten dünnen Metallplättchens 5 die Verteilung des elektrischen Feldes nicht stören, wenn es unendlich dünn wäre. In Wirklichkeit erzeugt es eine geringfügige Verformung des elektrischen Feldes, welche die Ausbreitung nicht stört. Der Erreger S (Fig. 15) hat eine konische Form mit abgeschnittener Spitze, wobei die optimale Form experimentiell auf Grund der Hornstrahler bestimmt worden ist, die üblicherweise für die Erregung der Oberflächenwellen in zylindrischen Strukturen verwendet werden und insbesondere in einem Aufsatz von Chavance und Chiron in der Zeitschrift »Annales des Telecommunications«, Bd. 8, Nr. 11, November 1953, beschrieben sind.

Die öffnung des Erregers ist ziemlich klein, denn die Feldausdehnung in der Mündung des Erregers ist infolge des Vorhandenseins des Ferritmaterials mit großer Dielektrizitätskonstante in dieser Mündung sehr reduziert. Die Verbindungen sind dadurch hergestellt, daß die Ionenleiter der koaxialen Anschlüsse 6 und 7 mit dem aus einer Kupferfolie ausgeschnittenen Erreger S verbunden sind. Diese Form des Plättchens S ist besonders günstig für die Herstellung der Richtungsleitung. Wie aus Fig. 15 hervorgeht, bedeckt es praktisch die ganze Oberfläche Abi des magnetischen Materials 2. Die Erfahrung zeigt, Fell daß man einen Oberflachenwellenerreger verwenden siel kann, der nur einen Bruchteil der Oberfläche des aus Teils 2 einnimmt. Das Vorhandensein einer metal- wir lischen Ebene großer Länge in der Mitte des Ferrit- wir materials verbietet jedoch jede Ausbreitung in der Bee üblichen Wellenform TEM. Die Rechnung zeigt Die nämlich, daß das Vorhandensein der Metallisierung 5 rez ίο den Wellenwiderstand auf einen Wert von weniger kei als 1 Ohm im Fall einer Ausbreitung in der Wellen- i form TEM herabsetzt. Wenn also der Oberflächen- vor wellenerreger S keine vollkommene Umformung der in zur Eingangsklemme übertragenen Welle in eine erfi Oberflächenwelle durchführt, hat dies zur Folge, daß dui sie sich in der Struktur nicht ausbreiten kann. Der ele Erreger S spielt daher die Rolle eines Filters für die voi unerwünschte Wellenform. Die Kennlinien von um Fig. 16 sind mit einer Vorrichtung der in Fig. 14 En dargestellten Art erhalten worden, welche die Ab- dei messungen O₁ = a.₂ = 10 mm, b — 3 mm aufwies, die wobei die Anfangspermeabilität des verwendeten sei Granats etwa 0,80 betrug, wie in Fig. 37 dargestellt Ai ist, die Komponente des PermeabilitätstensoTs in der Wi Vorwärtsrichtung in der Größenordnung \on ' .''-O ist lag, der Ferrit die Dielektrizitätskonstante _fe -- 5 de und das Dielektrikum die Dielektrizitätskonstante Ei ε_α = 15 hatte. Sti

Der Oberflachenwellenerreger S war ein Kuplc · Pe plättchen mit der Dicke 0,05 mm und der Brei;: Di 10 mm. de

Das die Platte 2 bildende Ferritmaterial war ein ne reines Yttriumgranat, und das die Platte 3 bildeno: Dielektrikum war ein gesintertes Keramikmaterial ζui' eii der Basis von Magnesiumtitanat. Das Dämpfung- F glied 4 war durch ein Agglomerat aus Eisenpulver ne und Kunstharz mit einer Dicke von 3 mm gebildet, tu Das angelegte Magnetfeld betrug etwa 300 Oersted, bf Fig. 16 zeigt die experimentellen Kurven, weiche di die Einfügungsdämpfung <x_d (untere Kurve) und die ei Rückwärtsdämpfung α,- (obere Kurve) als Funktion gl der Frequenz zeigen. Es ist zu bemerken, daß die ki Vorwärtsdämpfung zwischen 3 und 12 GHz einen ds Wert beibehält, der 2,5 dB nicht übersteigt. Die obere B Kurve zeigt, daß die Rückwärtsdämpfung im gleichen Frequenzband niemals kleiner als 21 dB ist. Sie V erreicht bei bestimmten Frequenzen 30 dB. Die Struk- el tür von Fig. 14 ist jedoch nicht optimal, insbeson- n; dere hinsichtlich der Wahl des magnetischen Materials im Hinblick auf den unteren Wert der Frequenz fl im nutzbaren Band, und vor allem, wie später ge- g' zeigt wird, hinsichtlich der Wahl der Parameter O₁ w und a_a. d

Die Wirkungsweise der Vorrichtung kann wie folgt S zusammengefaßt werden: Man kann annehmen, daß ^ unter der Wirkung des Vormagnetisierungs-Gleich- g feldes H die Permeabilität des Ferrits einen Wert in ! der Nähe von 1,60 in der Vorwärtsrichtung erreicht. 8 Die Abmessungen O₁, α, und b sind so gewählt, daß 2 die Feldausdehnung der Quasi-TM-Oberflächenwelle ^s etwa dem Volumen der Teile 1, 2, 3 entspricht. In der Rückwärtsrichtung ist die scheinbare Penneabili-' tat des Mediums 2 bei einer bestimmten Ausführung⁸ auf einen Wert gebracht, der klein gegen μ_ίϋ ist (in S der Größenordnung von 0,25), und aus den zuvor er-^c läuterten Gründen breitet sich praktisch die gesamte* Energie im rechten Teil der Struktur aus, d. h. in " " Nähe des Dielektrikums 3 und rings um dieses.

1 Abmessungen des Dielektrikums sind kleiner als die 1 Feldausdehnung. Unter diesen Bedingungen breitet ^:* sich ein eroßef Teil der Energie in dem Volumen ^ das von dem Dämpfungsglied 4 eingenommen iw^he^ierForn?von Wärme vernichtet ferner St der dielektrische Teil unter diesen ir ebenfalls wie ein strahlendes Element. S Erläuterung erklärt den nicht-Lg, erhebt jedoch

TkUK Sder Ausführungsform

UnFiR 14 darstellt, d. h. eine Richtungsleitung, * welcher die WeI enausbreitung in einer Struktur

I JfOlR die a«s «*iner metallischen Ebene 1 in Verbin-I,. oigt, aie .^a-J> -*"^CI „ _{u 2 d} ■ _di_

'i Γι? ^mi - I¹TdI ?b^gesS Bei der AurfSirungsform I ^fTH/ 'nd S^scSed^leometrischen und elektrische! Parameter so gewählt, daß die Hilfeabsorptionsglied II in der Nahe der Belastung4 und das Anpassungs-D.elektr.kurn 13 be, den Schiit zen 12 des Dielektrikums 3

F i g. 20 zeigt die Kennlinien der Einfugungsdarnpfung ,„ und Rückwärtsdämpfung _v bei einer Ausführungsform einer R.cntungsle.tung der in F,frl7 gezeigten Art, deren Parameter gegenüber den Werten der Ausführungsform deren Kennlinien in Fi^Ha g^t^^^^o^en SmJ_61n^

Ric^ngs.eitung. In technologischer Hinsicht beruht der wesentliche Unterschied zw^hen der Struktur von Fig. 21 und derjenigen von Fig. 14 dann daß bei der neuen Ausfuhrungsform d,e Metallplatte 1 fortgelassen ist. Man erkennt wieder das magnetische Material 2, das dielektrische Material 3 und die als Oberflächenwellerreger dienende Metallfolie 5. Der Erreger 5 kann der Ausfuhrung von F.g. 15 ent-

η
le
jf

!, diesem Zweck ist, im Gegensatz zu den zuvor be I* -Λ ι ι ebenen Strukturen, für die Vorwärtsrichtung der 2 Ausbreitung die Richtung gewählt, bei welcher der jf Wert der Permeabilisät μ_ld des Ferrits kleiner als μ,₀ |i--t. In diesem Fall konzentriert sich die Energie in 11-. r Vorwärtsrichtung in dem Dielektrikum, und die ί t ;nfügungsdämpfung ist kleiner als diejenige bei einer ■' luktur, bei welcher für die Vorwärtsrichtung die ι' .'rmeabilität μ_ίά gewählt wird, die größer als μ_1ο ist. ' ;as Dämpfungsglied 4 ist dann im wesentlichen in ier Nähe des gyromagnetischen Materials 2 angeordnet, wie aus Fig. 17 hervorgeht.

__ Fig. 17a sind die Kennlinien

τ Richtungslsitung, die nach dem Schema von j. 17 ausgeführt ist. Die in vollen Linien gezeich- |neten Kurven stellen die Daten dar, die für eine Struktur mit homogenem Ausbreitungsmedium gelten (wo-Jbei also das Dielektrikum 3 fortgelassen ist), während gestrichelten Linien die Daten sind, die sich auf Struktur beziehen, die derjenigen von F i g. 17 Dadurch wird der Einfluß des Dielektriin Fig. 17 umgestellt ist, hat Form wie in Fig. 11. Die

^_{atische Darst}ellung einer gsform von F i g. 17, bei weldeli Ferrit 2 auf zwei Flächen

*Tf i ε 18 a ist eine bevorzugte Variante der Ober- ^aLnWlnenerregSngfuremeStrukturderinFig.!? 50 iSnSTSSut. In der Vorwärtsrichtung, in Sr HiTppimeabilität u„ des Ferrits kleiner als ti W^t I ™ d ¥efdausdehnung der Energie ISßer Jnd di?Erregung kann schwieriger sein. Diese Crd dadSch veSSert, daß eine Hornstrahler«- tuni SSäitowSsie weist einen metallischen ^S 13 auf der mit einem Dielektrikum welches das zusammengesetzte Medium 3emSse^St Die Hornstrahlererregung vervolltand KeErSung durch dieMetallfoüe 5.

pff W SSdSn unsymmetrischen Oberflächen^g ^ nS Erreser ist dem unsymmetrifc S ^ Iilrjdh^ di

Sn Fi^

von ri g.

den k-urSn^SS ten C

lrj die

_we^_{den die gle}i.

: Man St an^er r die Unsymmetrie zwi- und c. di gekrümmten hUg 10 mid 12, das « einer Variante,* inFig.2, dargestellten Ausführungsform der Richtungslertung wird das Dielektrikum 3 fortgelassen. Die Ausbreitung der Oberflächenwelle erfolgt in der Struktur die auf das gyromagnetische Matenal 2 beschrankt «t Diese Ausführungsform ist derjenigen von F.g. 1 ähnlich (wobei aber die Masseebene 1 fortgelassen ist). Es ist offensichtlich, daß auch eine solche Struktur m den Rahmen der Erfindung fallt. In d.esem Fall treten aber wieder die bereits im Zusammenhang mit der Struktur von Fig. 1 angegebenen Nachtue auf und die Lösung mit einem zusammengesetzten Matenal erscheint vorteilhafter.

F i g. 22 zeigt eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausfülrungsform der Vorrichtung von Fig. 21 Wie zu erkennen ist, ist der Erreger im wesentlichen durch einen Metallylinder 13 gebildet, der demjemgen von Fig. 18a analog ist und nut einem dielektrischen Material 12 gefüllt ist, dessen Dielektnzi atskonstonte in der Nähe derjenigen des gyromagnetischen Materials liegt. Eine Metallfolie 5 geringer Dicke steht ,η Kontakt mit dem Innenleiter des koaxialen An-Schlusses 6. Die Erregung erfolgt durch die aus dem Hornstrahler 13, dem Dielektnkum 12 und der Metallfolie 5 gebildete Anordnung; bei dieser Art der Erregung, die sich besonders für Strukturen ohne Masseebene eignet, ist es nicht notwendig, daß die mittlere Metallfolie über die ganze Lange der Lei- ^Ug zusammenhängend ist; es braucht keine metallisehe Verbindung zwischen den beiden Innenleitern der koaxialen Anschlüsse zu bestehen Eine solche Struktur erregt in der Leitung 2, 3 von Fig. 21 eine Oberflächenwelle, die sich in der Wellenform HE_n (oder einer sehr ähnlichen Wellenform) in dem massiven dielektrischen Wellenleiter ausbreitet, der von den TeUen 2 und 3 gebildet wird. Die Abmessungen und die Art der TeUe 2 und 3 sind die gkichen w.e bei den entsprechenden Elementen der Anordnung von Fig. 14. Die Dampfungskennlimen der so gebüdeten Richtungsleitung sindIm Fig.23 dargestellt Sie sind denjenigen von F1 g. 16 sehr ähnlich^ Fig. 24 zeigt eine Variante der Anordnung nach der Erfindung; bei welcher das zusammengesetzte Ausbreitungsmedium eine zylindrische Form hat, während die zuvor beschriebenen Ausfuhrungsformen quaderförmig waren. Das Dielektrikum 2 und der Ferrit 3 erscheinen in Form von Stäben mit halbkreisförmigem Querschmtt^ die an ihren flachen Seiten entlang einer diametralen Ebene 20 aneinander-

29 " 30

gefügt sind. Das Dämpfungsglied 4 hat die Form vermieden werden muß. Es ist daher wichtig, die Ab- da

eines zylindrischen Mantel 4, der entweder die ge- messungen a_v a., und b (vgl. Fig. 14) der Struktur ria

samte Struktur umgibt oder vor allem den Teil, der so zu wählen, daß das Volumen des Dielektrikums die

als Träger für die^Wellenausbreitung in der Rück- größer als die I eldausdehnung ist, damit die Ver- sie

wärtsrichtung dient, wie in Fig. 24 dargestellt ist. 5 fuste in der Rückwärtsrichtung bei den Ausführungs- V₃

Die Verbindungen sind, wie bei den zuvor beschrie- formen verringert werden, bei denen die Impedanz üb

benen Strukturen, durch koaxiale Anschlüsse 6 und 7 des Ferrits in der Vorwärtsrichtung klein ist. Die wii

gewährleistet, deren Innenleiter 21 mit dem Ober- Theorie der Ausbreitung einer Oberflächenwelle in

flächenwellenerreger 22 verbunden sind, der durch einem massiven dielektrischen Wellenleiter ermöglicht Ri,

eine Metallfolie gebildet ist, die in der Ebene 20 der io die Festlegung der geometrischen Eigenschaften der F i

den beiden Teilen 2 und 3 gemeinsamen Fläche an- Struktur, mit denen diese Bedingung erfüllt wird. vie

geordnet ist und die in Fig. 25 gezeigte Form hat. Man kann eine Richtungsgabel (Zirkulator) mit ist

Diese Form ist ein Rechteck, an das sich zwei gleich- Hilfe eines solchen Phasenschiebers dadurch realisie- ge:

schenklige Dreiecke anschließen, deren Basis mit der ren, daß drei Phasenschieber, die jeweils eine vor-

Schmalseile des Rechtecks zusammenfällt. Bei be- 15 bestimmte Phasenverschiebung ergeben, miteinander _an

stimmten Ausführungsformen, bei denen die Vor- gekoppelt werden. Die Fig. 30 und 31 zeigen sehe- _Vo

richtung Jang ist, kann der einzige Erreger 22 durch matisch bekannte Strukturen von Richtungsgabeln. ]_Ui

zwei Wellenformwandler ersetzt werden, die nicht die aus Phasenschiebern gebildet sind. Die in Fi g. ?i' _Ve

zusammenhängen, wie durch die Teile ABCDE und gezeigte Richtungsgabel in Dreieckschaltung ist aus Kc

A'B'C'D'E' angedeutet ist. 20 drei Phasenschiebergliedem 30, 31, 32 gebildet, von de

In Fig. 26 ist schematisch eine Oberansicht eines denen jedes eine Phasendifferenz von 60 ergibt und Sc nichtreziproken Oberflächenwellen-Phasenschiebers beispielsweise durch den Phasenschieber von F i g. 2< de dargestellt, weicher der Struktur der Richtungsleitung gebildet ist. Die drei Arme der Richtungsgabel sind _mvon^Fig. 1 entspricht, d. h. als Träger für die WeI- bei 33, 34 bzw. 35 dargestellt. Eine solche Richl-.mgs- Vc Ienausbreituii^ ein homogenes Medium au? gyro- 25 gabel ist bereits in der französischen Patentsciriit de magnetischem Material aufweist. Man erkennt die ! 567 104 beschrieben. irb Femiplatte 2 und den Erreger 5 sowie die An- Des Scher-¹¹» von Fig. 31 entspricht einer einfach.α Er Schlüsse 6 und 7. Die Form des Olcüäc^nwellen- Struktur einer Richtunjsgabe' bekannter Art mit \ur tui erregers entspricht der in Fig. 11 gezeigten unsym- Armen 36. 37, 38, 39. Diese Richtungsgabel enthii-t tei metrischen Art, wobei die Ferritplatte 2 rechteckig 30 zwei 3-dB-Richtkoppler 40 und 41 und zwei 90 - deist, weil im Fall des Phasenschiebers die Energieab- Phasenschiebeglieder 42 und 43. die jeweils d>_, Aus- _Kg sorption durch den Ferrit vermieden werden muß. führung^form von Fig. 28 entsprechen. Der eire
Bei einer praktischen Ausführung hat die Ferritplatte Zweig enthält außerdem ein zweites Phasenschieber- _ga] eine Breite von 10,5 mm, eine Länge von 65 mm und glied 44, das eine feste Phasenverschiebung von ',Su dei eine Dicke von 1,5 mm. Der verwendete Ferrit hat 35 erzeugt und beispielsweise durch einen gegebenenfalls _ma ein Sättigungsmoment von 175OGauß cm³ bei 3GHz. mit einem Dielektrikum belasteten Lcitungsabs^vit \_h Die Kennlinie der Phasenverschiebung als Funktion gebildet ist, dessen Länge pleich der halben Phasui- fojj des angelegten äußeren Magnetfeldes ist in Fig. 27 wellenlänge in der Leitung ist. Die Richtkoppler ·ίβ _wij dargestellt. Sie ist über die ganze Fläche der Vor- und 41 können beispielsweise von der Art sein, wie _uni richtung gleichförmig. Zum Vergleich ist in Fig. 29 40 sie in dem Aufsatz von Shelton in der Zeitschrift dei die Kennlinie eines nichtreziproken Phasenschiebers »Microwaves«, April 1965, S. 14 bis 19, beschrieben ^₁ dargestellt, welcher der Struktur von Fig. 28 ent- ist. Der Koppler wird durch die Verbindung von de spricht, d. h. einer zusammengesetzten Struktur aus 8,34-dB-Kopplern erhalten. Sie umfassen das Fre- _vvj, einem gyromagnetischen Material 2 und einem di- quenzband von 1 bis 10 GHz und beschränken somit
elektrischen Material 3 in Verbindung mit einer 45 nicht das Frequenzband der Phasen^coh:cberglicdcr. de Masseebene 1. Der Oberflächenwellenerreger 5 ist Richtkoppler, welche sich für diese Ausführung _zu zwischen zwei Materialplatten angeordnet. eignen, sind in der französischen Patentschrift _wg

Das Gleichfeld, das zur Erzielung einer maximalen 1 222 658 beschrieben. lic

Phasenänderung notwendig ist, hat im wesentlichen Fig. 32 zeigt eine Schnittansicht in einer die Aus- de

den gleichen Wert wie das Vormagnetisierung ^gleich- 50 breitungsrichtung enthaltenden Mittelebene durch Kt

feld, das bei der Richtungsleitungsstruktur von eine Ausführungsform einer dreiarmigen Ricbtungs- _mi

Fig. 14 oder bei der Richtungsleitungsstruktur von gabel nach der Erfindung. Diese Kichttingsgabel ist

Fig. 17 zur Erzielung eines maximalen Verhältnisses im wesentlichen durvh ein Glied von gleicher Art wie _un

zwischen der Rückwärtsdämpfung und der Vorwärts- die in Fig. 17 gezeigte Struktur gebildet, bei der das ge

dämpfung unter den gleichen Betriebsbedingungen 55 Dämpfungsglied fortgelassen ist. An S.Jle die=^s au

und bei den gleichen Abmessungen angewendet wird. Dämpfungsglieds ist eine Kopplungsvorrichtung vor- mi

Die bei 6 GHz erhaltenen Ergebnisse bestätigen, daß cesehen, die mit einem koaxialen Ausgang K₁ ver- Rj

die Energie fast vollkommen im Innern des Mediums bunden ist. Diese Kopplungsvorrichtung kann durch te:

in der einen Ausbreitungsrichtung und fast vollkom- eine Übertragungsleitung gebildet sein, die aus einem M

men außerhalb des Mediums in der anderen Ausbrei- 60 Dielektrikum 45 besteht, «las vollkommen oder tcil-

tungsrichtung enthalten ist; bei einem Phasenschieber weise durch eine Metallisierung bedeckt ist. Diese -p

kann es jedoch störend sein, wenn man zu sehr ver- Metallisierung ist an den Innenleiter des koaxialen _vc

schiedene Dämpfungen in den verschiedenen Aus- Ausgangs F₃ angeschlossen und gegebenenfalls mit q

breitungsrichtungen erhält. Nun war zuvor im Fall der Metallfolie 5 verbunden, die für die Erregung _u,

der Richtungsleitungen zu erkennen, daß sich die 65 der Hauptoberfiächcnwelle dient. Diese Richtunus- »,

Dämpfung in der Rückwärtsrichtung wenigstens zum gabel arbeitet, nach folgendem Prinzip: In der Aus- s

Teil aus den Strahlungsverlusten der Struktur ergab, breitungsrichtung von F₁ nach F₀ (Pfeil 44) hat das _Vl

so daß diese Verlustursache bei einem Phasenschieber Vormagnetisierungs-Gleichfeld eine solche Richtung, tj

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daß sich die Oberflächenwelle im Inneren des Materials befindet; in der Rückwärtsrichtung befindet sich die Energie bekanntlich außerhalb der Struktur, und sie wird von der Kopplungsvorrichtung am Ausgang V₃ eingefangen. Aus den gleichen Gründen ist die über den Arm F₃ eintretende Energie am Ausgang V₁ wiederzufinden.

Die Kurven von Fi g. 33 zeigen die Kennlinien der Richtungsgabel von Fig. 32. Das Schema von Fig. 34 zeigt in der gleichen Ebene eine Ansicht einer vierarmigen Richtungsgabel. Diese Richtungsgabel ist im wesentlichen aus zwei Gliedern der in Fi g. 17 gezeigten Art gebildet.

Diese beiden Glieder sind parallel nebeneinander angeordnet und durch eine Kopplungsvorrichtung 46 von gleicher Art verbunden, wie sie für die Ankopplung des Arms V₃ bei der Richtungsgabel von F i g. 32 verwendet wird. In bestimmten Ausführungen Ist die Kopplung 46 nicht vorhanden, und die beiden Glieder sind ohne Zwischenraum aneinandergefügt. Das Schema von Fig. 36 zeigt schematisch die Richtung der magnetischen Wechselfelder in der Struktur. Gemäß einer bevorzugten Ausführung hat das angelegte Vormagnetisierungs-Gleicbfeld in den beiden Gliedern die gleiche Richtung. In diesem Fall folgt die über den Arm F₂ der Richtungsgabel eintretende Energie dei durch den Pfeil 47 angegebenen Ricntung; die Energie kann sich dann in zwei Teile aufteilen, <on denen ein Teil zu dem Ausgang V₃ und d:r anden. Teil zu dem Ausgang V, gelangen können.

Wie in Fig. 36 gezeigt ist, findet die zum Ausgang V₁ gerichtete Energie eine solche Polarisation des Wechselfeldes, daß die Permeabilität des gyromagnetischen Materials klein ist, während die zum Ausgang V₃ gerichtete Energie eine hohe Permeabilität findet; die vom Arm T', abgegebene Energie wird zu der Richtung mit hoher Permeabilität geführt ind findet sich am Ausgang K₃. Umgekehrt ist in der Richtung von F₃ nach K₄ die Permeabilität des Materials gering, und die Energie wird im Innern des Mediums gehalten und findet sich am Arm F₄ wieder.

Die Kurven von F i g. 35 zeigen die Eigenschaften der vierarmigen Richtungsgabel vnn F i g. 34. Es ist zu bemerken, daß die Dämpfungen in den vier Vorwärtsrichtungen der Wellenausbreitung im wesentlichen gleich sind, was ein großer Vorteil gegenüber den vierarmigen Richtungsgabeln ist, die durch die Kombination von zwei dreiarmigen Richtungsgabeln mit Verbindungsstelle gebildet sind.

Die Ausbildung der Richtungsgabeln von F i g. 32 und 34 beruht auf der Verwendung von zusammengesetzten Gliedern aus magnetischem Material und aus dielektrischem Material und auf den Strukturen mit Masseebene. Es ist aber offensichtlich, daß auch Richtungsgabeln aus Gliedern mit homogenem Material (ohne Dielektrikum) und aus Strukturen ohne Masseebene gebildet werden können.

Die Ausbreitung einer Oberflächenwelle vom Typ TM oder vom Typ Quasi-TM in der Struktur von Fig. 14 kann mathematisch insbesondere auf Grund des Aufsatzes von H. Kaden, »Dielektrische und metallische Wellenleiter« in der Zeitschrift »Archiv für elektrische Übertragung«, August 1952, S. 319 bis 332, und des später erwähnten Aufsatzes von Severin und Schulten untersucht werden. Die Untersuchung, die insbesondere im Anhang I des eisten Aufsatzes angegeoen ist, bezieht sich auf das zusammengesetzte Medium 1, 2, 3, wenn das angelegte Vormagnetisierungsfeld H Null ist. Das magnetische Material verhält sich nämlich dann wie ein dielektrisches Material der Permeabilität//,·„ und der Dielektrizitätskonstanten ε,, wobei diese beiden Größen skalare Größen sind, d.h. in dem Material konstant und insbesondere unabhängig von der Orientierung in bezug auf eine feste Bezugsrichtung

ίο sowie von der Frequenz sind, wenn das Material geeignet gewählt ist. Als Beispiel sind in Fig. 37 die Änderungen der Permeabilität von Yttrium-Eisen-Granat bei dem Feld Null zwischen 2 und 12 GHz dargestellt. Es ist zu sehen, daß dieser Parameter im

Frequenzband im wesentlichen konstant bleibt. Dies gilt nicht mehr beim Vorhandensein eines von Null verschiedenen Magnetfeldes//, da die Permeabilität des magnetischen Materials dann eine Tensorgröße wird. Diese Überlegungen ermöglichen es, die von

ao Kaden angestellten Berechnungen aufzugreifen. Die Untersuchung führt zu den gleichen allgemeinen Schlüssen, nämlich daß die Struktur keine Grenzfrequenz aufweist. Jedoch führt der endliche Wert der Parameter a_x und a₂ zu dem Begriff der »klein-

3ten Frequenz«, die über das Medium 1-2-3 mit einer von vornherein festgelegten Vorwärtsdämpfung übertragbar ist (theoretische Einfügungsdämpfung der Vorrichtung ohne Berücksichtigung der Umwandlungsverluste bei der Wellenform-Umwandiung

oder der Erregungsverluste). Wenn man annimmt, daß etwa 25°/o der Energie sich außerhalb des zusammengesetzten Mediums ausbreiten und in dem absorbierenden Plättchen in der Vorwärtsrichtung absorbiert werden kann, also etwa 1 dB Verlust bei der niedrigsten Betriebsfrequenz, kommt man zu der vereinfachten Formel:

Darin sind:

t_d = Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums,

α., = Breite der dielektrischen Platte,

b = gemeinsame Dicke der beiden Teile des
Mediums 2 bis 3.

Die Formel (3) ist unter der Annahme berechnet worden, daß die zuvor angegebenen Formeln (1) und (2) erfüllt sind; in diesem Fall kann man an-

nehmen, daß sich das magnetische Material wie das dielektrische Material verhält, so daß das zusammengesetzte Material näherungsweise einem homogenen, dielektrischen Material der doppelten Breite gleichgesetzt werden kann.

In der ganzen vorstehenden Beschreibung ist das Vorhandensein von Oberflächenwelle!! in der Struktur 1-2-3 vorausgesetzt worden. Dieses Vorhandensein schreibt jedoch gewisse Bedingungen vor, wenigstens hinsichtlich der geometrischen Abmessungen der Struktur. Wenn die Ergebnisse der theoret'.chen Untersuchung über zylindrische Strukturen, die von H. Severin und G. Schulter, in der Zeitschrift »Philips technische Rundschau«, Bd. 26, Nr. 4, 19C5 S. 114, veröffentlicht worden sind, auf die Bedingungen der Struktur von Fig. 14 angewendet werden, kann man eine Beziehung zwischen der maximalen Frequenz der Oberflächenwelle nnd den geometrischen Parametern aufstellen, die das Vor-

handensein der Oberflächenwelle garantiert. Diese Beziehung ist:

0,76 (4)

Darin sind:

U₁ = Breite des magnetischen Materials, a, = Breite des dielektrischen Materials, b = gemeinsame Höhe der beiden Teile, ε, = Dielektrizitätskonstante des magnetischen

Materials in der Vorwärtsrichtung, μ_Ιά = Permeabilität des magnetischen Materials

Ίώ der Vorwärtsrichtung, e_d = Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums

Die Formeln (1), (2), (3) und (4) ermöglichen es, die Abmessungen a_v a„ und b so zu wählen, daß ein Betrieb in einem gegebenen Frequenzband erhalten wird. Eine vollständige Untersuchung der Wellenausbreitung in der Struktur geht über den Rahmen der vorliegenden Beschreibung hinaus. Die Gleichungen (1), (2), (3) und (4) gelten auch für die Struktur von Fig. 17, wenn, wie K ad en bemerkt hat, die Analogie zwischen den Strukturen bei Anwendung der Theorie der elektrischen Abbildung berücksichtigt wird.

Die numerische Anwendung der Gleichungen (1), (2), (3), (4) in dem betrachteten Frequenzband (3 bis 12 GHz) hat (ausgehend von den gemessenen Werten) die folgenden Ergebnisse geliefert:

e_d = 10 ; ε, = 13 ; μ_1ο = 0.8 ;
μ_Μ = 0,25 ; d = 3 mm ;
α.,= 10mm; F_max = 10 500MHz;

F_min=2400MHz.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (28)

Patentansprüche:

1. Nichtreziproke Übertragungsanordnung für elektromagnetische Höchstfrequenzwellen mit einem gyromagnetischen Material, das unter dem Einfluß eines Vormagnetisierungs-Gleichfeldes steht, gekennzeichnet durch eine Oberflächenwellenleitung, deren Ausbreitungsmedium (2, 3) wenigstens zum Teil aus dem gyromagnetischen Material besteht und eine parallel zu der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle liegende größte Abmessung hat, während die beiden anderen Abmessungen klein gegen diese Abmessungen sind, eine Vormagnetisierungs-Vorrichtung (8), die in wenigstens einem Teil des Ausbreitungsmediums (2, 3) der Oberflächenwellenleitung ein homogenes Magnetfeld derart ausbildet, daß die Permeabilität (p_iä) des gyromagnetischen Materials in der Richtung parallel zu dem angelegten Magnetfeld wenigstens für ao eine Ausbreitungsrichtung sehr verschieden von seiner Anfangspermeabilität (//_f0) ist, und durch eine Erregungsanordnung (5), welche eine dem Eingang der Oberflächenwellenleitung zugeführte Eingangswelle (TEM-Raum-Welle) in eine Oberflächenwelle der Wellenform TM oder Quasi-TM oder der Hybridform HE₁₁ und am Ausgang der Oberflächenwellenleitung die Oberflächenwelle in eine Ausgangswelle (TEM-Raum-Welle) umformt.

2. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsanordnung (5) durch eine metallische Ebene gebildet ist, die im Innern des Mediums (2) aus gyromagnetischem Material auf seiner ganzen in der Ausbreitungsrichtung gemessenen Länge angebracht und trapezförmig zugeschnitten ist, wobei die Grundseiten des Trapezes parallel zu der Ausbreitungsrichtung liegen und die zur großen Grundseite gehörenden Ecken durch leitende Streifen verlängert sind, welche als Anpassungsieitungsabschnitt dien*- . (Fig. 15).

3. Nichtreziproke übertragungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsanordnung (5) durch zwei ebene lei tende Strukturen gleicher Form gebildet ist. die

in der gleichen Ebene angeordnet sind, welche die Ausbreitlingsrichtung enthält und als Symnrnrieebene für den Querschnitt des magnetischen Mediums dient, und die in Form von rechteckigen Trapezen ausgeschnitten sind, deren Grundseiten parallel zu der Ausbreitungsrichtung liegen und von denen die der großen Grundseite ■Mitsprechende Ecke, deren Winkel kein rechter Winkel ist, durch einen leitenden Streifen verlängen ist, der die Rolle eines Anpassungsleitungsabschnittes spielt (Fi g. 8. 25).

4. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine leitende F.bcne (·), auf der das Medium (2) aus magnctischem Material aufliegt und deren senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung liegende Abmessung groß gegen die entsprechende Abmessung des Mediums aus magnetischem Material ist (Fig. 1,

2. 4, 6. 7, 8, 9, 11. 14, 17. 18, 19, 28, 32). "

5. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 4 vom Typ einer Richtungsleitung (Isolator), dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (2) aus magnetischem Material an wenigstens einer seiner Flächen in Berührung mit einer angepaßten Belastung (4) steht und daß das homogene Magnetfeld so ausgebildet ist, daß in einer der Ausbreitungsrichtungen der Wert der Permeabilität C«_W) in der Richtung des Magnetfeldes groß gegen den Wert der Permeabilität ist, die τ dem magnetischen Material in der Nähe des angepaßten Abschlusses besteht, wenn das Magnetfeld nicht vorhanden ist (Fig. 1, la).

6 Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Erreoungsanordnung (5) eine Metallplatte oder Metallschicht ist, welche die allgemeine Form eines Rechtecks hat, dessen Langsachse p—allel zu der Ausbreitungsrichtung hegt und dessen Ecken durch gekrümmte Einschnitte (51, 52 53- 54) abgeschnitten sind, deren konvexe «eilen zu der Längsachse hin gerichtet sind, und die zwei geradlinige Abschnitte an den Seiten des Rechtecks begrenzen, die senkrecht zu der Längsachse liegen, und daß die Eingangs- und Ausganssanschlüsse (6, 7) an einem von ihrer Mitte verschiedenen Punkt dieser geradlinigen Abschnitte angebracht sind, der nicht in ihrer Mitte liest (C, Φ tv, F ig. 2).

7 Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erreguncsanordnung (5) eine Metaliplatte oder Metallschicht ist, welche die allgemeine Form eines Trapezes hat, dessen parallele Seiten parallel zu der Ausbreitungsrichtung liegen und dessen der kleinen Seite benachbarte Ecken durch gekrümmte Einschnitte abgeschnitten sind, deren konvexe Seiten zui großen Seite hin gerichtet sind, und die zwei geradlinige Abschnitte an ''en senkrecht zu den Grundseiten liegenden Seiten des Trapezes begrenzen, die verschiedene Längen haben, und daß die Eingangs- und Ausganpsanschlüsse (6, 7) in der Nähe der nicht abgeschnittenen Ecken angebracht sind (Fig I).

8. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Durchlaßband der Übertragunesanordnung abgestimmte strahlende Schlitze (lOfcntl.tns einer der parallel zur Ausbrcitungsrichtuna '.leeenden Seilen der Erregungsanordnung (S) angebracht sind und daß die strahlenden Schlitze (10) mit einem absorbierenden Material

(11) bedeckt sind (F i g. 4).

9. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Durchlaßband der Ubertragungsanordnung abgestimmte strahlende Schlitze

(12) entlang einer der parallel zur Ausbreitungsrichtunn liegenden Seiten der Erregungsanordnung (5) angebracht sind und daß die strahlenden Schlitze (12) mit einem dielektrischen Material (13", bedeckt sind (Γ i g. 4).

10. Niclitrczipiuke Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem magnetischen Material (2) entlang einer parallel zu der AusbreitungsricmiMig liegenden Snite Unstetigkeiten (14, 15) angebracht sind (F i g. 6, 7).

11. Nichtixviproke OKrtragungsanorJnung nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeiten Löcher (14) sind (F i g. 6).

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12. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (14) mit dielektrischem Material (14') aefüllt sind (F i g. 6).

13. Nichtreziproke Übertrayungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeiten Kerben (15) sind, die in einem parallel zu der Ausbreitungsrichtung liegenden Rand des magnetischen Materials angebracht sind (F i g. 7).

14. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 13. dadurch oekennzeichnet, daß die Vorrichtung (8) zur Ausbildung des Magnetfeldes so ausgeführt ist, daß sie in einem ersten Bereich des magnetischen Materials ein gleichförmiges magnetisches Gleichfeld von einem ersten Wert und einem zweiten Bereich des magnetischen Materials ein gleichförmiges magnetisches Gleichfe'd von einem zweiten Wert ausbildet, daß die beiden Bereiche eine die Ausbreitungsrichtung enthaltende Verbindungsfläche habeii und daß einer der beiden Bereiche für die Absorption der elektromagnetischen Energie in einer Ausbreitungsrichtung dient (Fig. 9). "

15. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Werte Null ist.

U-.. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichr. :t. daß die beiden Werte des Magnetfeldes gro.kr als der Wert des Magnetfeldes sind, welcher der gyromagnetischen Resonanz des Materials in dem Betriebsfrequenzbereich entspricht.

17. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Werte des Magnetfeldes kleiner als der Wert des Magnetfeldes sind, welcher der gyroniugnetischen Resonanz des Materials in dem Betriebsfrequenzbereich entspricht.

IS. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Bereichs des magnetischen MateriaK. in dem das Magnetfeld den Wert Null hat. für die Führung der Wellen geeignet ist. die sich darin in der Rückwärtsrichturg ausbreiten

(Fig.)).

19. Nichtreziproke Übertragungsanordnung >v>ch Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der magnetischen Gleichfckkr umgekehrt zu demjenigen magnetischen Gleichfeici gerichtet ist, das die gyromagnetische Resonanz in dem magnetischen Material bei der Betriebsfn'i]uenz erzeugt.

20. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nacti Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Ί rager für die Wellenausbreitung dienende Medium (2, 3) zusammengesetzt ist und wenigstens einen ersten Teil (2) aus magnetischem Material aufweist, der bc^::r. Fehlen eines iiußeren Magnetfeldes die Anfangspermeabilität //,„ und die Dielektrizitätskonstante r, hat. und einen zweiten Teil aus einem dielektrischen Material mit der Permeabilität //,. ~- 1 und der Dielektrizitätskonstante f,„ daß die beiden Teile eine gemeinsame Verbindungsfiächo haben, welche die Ausbreitungsrichtung enthält, und daß die Materialien so gtvähli sind, daß beim Fehler eines Vormagnetisierungsieldes gilt: ,«/ο ' ^f' ~ "^e ' ^ε' (Fig. ίΐ, 21).

21.' Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine leitende Ebene (1), auf welcher das zusammengesetzte Medium (2, 3) aufliegt und deren senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung liegende Abmessung groß gegen die entsprechende Abmessung des zusammengesetzten Mediums ist (F fg. 14).

22. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 1 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsanordnung durch die Kombination einer Metallplatte oder Metallschicht (5) mit zwei Hornstrahlern (13) gebildet ist. daß die Metallplatte oder Metallschicht (s) die allgemeine Form eines Trapezes hat, dessen parallele Seiten parallel zu der Ausbreitungsrichtung liegen und dessen der kleinen Seite benachbarte Ecken durch gekrümmte Einschnitte abgeschnitten sind, deren konvexe Seiten zur großen Seite hin gerichtet sind, wobei die Einschnitte an den Seiten des Trapezes zwei senkrecht zu den Grundseiten liegende geradlinige Abschnitte von unterschiedlicher Länge begrenzen und die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse in der Nähe der nicht abgeschnittenen Ecken angebracht sind, und daß die beiden Hornstrahler (13) mit einem dielektrischen Material (12) gefüllt sind, an den Enden des magnetischen Teilst) des zusammengesetzten Mediums liegen und den magnetischen Teil in einer senkrecht zu der Metallplatte bzw. Metallschicht (5) liegenden Ebene umgeben (Fig. 18a, 22).

23. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsanordnung (5) eine Metallplatte oder eine Metallschicht ist. welche die allgemeine Form Hnes Trapezes hat. dessen parallele Seiten parallel zu der Ausbreitungsrichtung liegen und dessen der kleinen Seite benachbarte Ecken durch gekrümmte Einschnitte abgeschnitten sind, deren konvexe Seiten zur großen Seite hin gerichtet sind, daß die Einschnitte an den Seiten des Trapezes zwei senkrecht zu den Grundseiten stehende geradlinige Abschnitte von unterschiedlicher Länge begrenzen und daß die Eingangsund Ausgangsanschlüsse in der Nähe der nicht abgeschnittenen Ecken angebracht sind (Fig. 19).

24. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (8) zur Ausbildung des Magnetfeldes so ausgeführt ist, daß sie in einem ersten Bereich des magnetischen Malerials ein gleichförmiges magnetisches Gleichfeld von einem ersten Wert und in einem zweiten Bereich des magnetischen Materials ein gleichförmiges magnetisches Gleichfeld von einem zweiten Wert erzeugt und daß die beiden Bereiche eine Verbindungsnächc haben, welche die Aushreitungsrichtung enthält (Fig. 14 in Verbindung mit Fig. 9).

25. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (2,3) des zusammengesetzten Mediums zylindrische Teile mit gleichem halbkreisförmigem Querschnitt sind und entlang ihrer die Ausbreitungsrichiung enthaltenden ebenen

Fläche in Berührung miteinander stehen (F i g. 24, 25).

26. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das homogene; Magnetfeld senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung steht (Fig. 1,14).

27. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das homogene Magnetfeld eine von Null verschiedene Komponente in der Ausbreitungsrichtung aufweist (F i g. 8).

28. Nichtreziproke Ühertragungsanordnung nach Anspruch 21 nach Art einer dreiarmigen Richtungsgabel (Zirkulator), dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Teil (45) aus dielektrischem Material mit der Permeabilität μ/ = 1 und der Dielektrizitätskonstante ε/ in Kontakt mit dem ersten Teil (2) aus magnetischem Material entlang einer parallel zu der Verbindun^tläche zwischen dem ersten Teil (2) und dem zweiten Teil (3) liegenden Verbindungsfläche angeordnet ist, daß das Material des dritten Teils so gewählt ist. daß gilt: