DE2226726C3

DE2226726C3 - Nichtreziproke Übertragungsanordnung für elektromagnetische Höchstfrequenzwellen

Info

Publication number: DE2226726C3
Application number: DE2226726A
Authority: DE
Inventors: Claud Poissy Rannou
Original assignee: LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES PARIS FR
Current assignee: LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES PARIS FR
Priority date: 1971-06-04
Filing date: 1972-06-02
Publication date: 1982-05-27
Also published as: DE2226726A1; US3845413A; DE2226726B2; NL7207487A; GB1398768A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine nichtreziproke Übertragungsanordnung der im Oberbegriff des Patent- * anspruchs 1 angegebenen Art

Als nichtreziproke Anordnung bezeichnet man eine Schaltung, deren Übertragungseigenschaften (Dämpfung, Phasenverschiebung) je nach der Ausbreitungsrichtung der Wellen durch die Schaltung verschieden so sind. Es sind Schaltungen dieser Art bekannt, die 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 Einwirkung der äußeren Magnetisierung ein Tensor, was bedeutet, daß die Impedanz des Mediums für eine sich darin ausbreitende Welle, von der Orientierung des Magnetfeldes der Welle in bezug auf eine mit dem Medium verknüpfte feste Bezugsrichtung abhängt Diese Orientierung ändert sich also mit der Ausbreitungsrichtung. Die Ausnutzung dieser Eigenschaft ist die Grundlage für die Bildung der unter der Bezeichnung Richtungsleitungen (Isolatoren), Richtungsgabeln (Zirkulatoren), Phasenschieber usw. bekannten Schaltungen, die beispielsweise im Fall der Richtungsleitungen die Wellen mit einer geringen Dämpfung (von einigen Dezibel und manchmal noch weniger) in der Vorwärtsrichtung und mit einer sehr viel größeren Dämpfung (über 20 dB) in der Rückwärtsrichtung 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 ist, ist das Betriebsfrequenzband verhältnismäßig klein. Im Fall der Feldverschiebungs-Richtungsleitungen, wenn Strukturen auf der Basis von rechteckigen oder runden Hohlleitern verwendet werden, ist das Durchlaßband auf das Band des eigentlichen Hohlleiters beschränkt. Wenn koaxiale Strukturen oder Strukturen aus Dreifachbandleitungen verwendet werden, die mit der normalen TEM-Wellenform arbeiten, ist die Feldverschiebung häufig von der Erregung von Störwellenformen begleitet, also von Hohlleiter-Wellenformen, welche Grenzfrequenzen 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 übersteigt niemals eine Oktave. Wenn die Richtungsleitungen durch Richtungsgabeln (Zirkulatoren) gebildet sind, bei denen ein Arm rcflcxionsfrei 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 Richtungsgabeln mit Übergang oder mit Phasendifferenz sind im allgemeinen ebenfalls auf die Bandbreite des Übertragungshohlleiters beschränkt, so daß auch hier die Bandbreite stets höchstens gleich einer Oktave ist

Hinsichtlich des Verhaltens in Abhängigkeit von der Temperatur und der mittleren Leistung (wobei diese Größen in den meisten Fällen miteinander verknüpft sind) sind die Eigenschaften infolge der bekannten Temperaturabhängigkeit der Permeabilität der magnetischen Materialien oder infolge des zu niedrigen Curie-Punktes der verwendeten Materialien beschränkt Andererseits verbleibt die in der Rückwärtsrichtung nicht übertragene Energie, wie im Fall der Resonanz-Richtungsleitungen, häufig in dem magnetischen Material das sich seinerseits in einem Hohlleiter oder in einer Koaxialstruktar befindet wodurch die Abführung der Energie erschwert wird. Dies hat eine beträchtliche Erhöhung der Temperatur des Materials zur Folge. Ferner werden die Einfügungsverluste (Dämpfung in der Vorwärtsrichtung) durch die Anwendung eines Dämpfungsgliedes im Innern des Raumes, in dem sich

die Welle ausbreitet, unabhängig von der angewendeten Technologie vergrößert.

Eine nichtreziproke Anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art ist aus der »Telefunken Zeitung« Jg. 38 (1965), Heft 2, Seite 181 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung ist das Ausbreitungsmedium, das aus einem Dielektrikum mit an der Oberfläche angeordneten Ferrtistreifen besteht, in dem Hohlrauzme einer Koaxialleitung eingebracht und die Ferritstreifen sind so bemessen und vormagnetisiert, daß die Resonanzbedingung erfüllt ist. Die Bandbreite ist daher durch die Resonanz begrenzt, die Abmessungen lassen sich wegen der Koaxialstruktur nicht beliebig verkleinern, und die Anordnung eignet sich nicht für eine Ausbildung nach der Technik der integrierten ΐ iöchstfrequenzschaltungcn.

Eine insbesondere für die Ausbildung nach der Technik der integrierten Höchstfrequenzschaltungen geeignete nichtreziproke Anordnung mit vergrößerter Bandbreite ist in der US-PS 35 55 459 beschrieben. Bei dieser bekannten Anordnung wird die Technologie der Mikrobandleitungen angewendet, und es ist hervorgehoben, daß die gewünschte Wellenform die TEM-Welle (Raumwelle) ist. Gegenüber anderen bekannten nichtreziproken Mikrobandleitungs-Anordnungen wird die größere Bandbreite dadurch erhalten, daß

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

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

Die TEM-Raumwelle wird auch als Bezug für die Bestimmung der Impedanzen verwendet.

Die Verwendung einer sich in einem ferromagnetischen Medium ausbreitenden Oberflächenwelle für die Bildung eines nichtreziproken Phasenschiebers ist in der FR-PS 14 68 808 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. Bei dem bekannten Phasenschieber ist die Leitung, in deren Feldausdehnungsraum das magnetisierte ferromagnetische Material eingebracht ist, eine drahtförmige metallische Oberflächenwellenleitung.

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 Höchstfrequenzschaltung eignet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf einer neuartigen Anwendung der Eigenschaften von Wellenformen, die unter den Bezeichnungen TM-Oberflächenwellen, Quasi-TM-5 Oberflächenwellen oder Hybridwellen, beispielsweise vom Typ HEn, bekannt sind, in einem ferro- oder gyromagnetischen Medium, auf das ein Vormagnetisierungs-Gleichfeld einwirkt und dem in bestimmten Fällen ein Medium aus einem dielketrischen Material

ίο 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 ebenen TEM-Wellen beschränken (bei denen

Ii das elektrische Feld und das magnetische Feld beide ' senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung stehen), erscheint es zweckmäßig, kurz daran zu erinnern, was unter TM-Oberflächenwellen, Quasi-TM-Oberflächenwellen und HEn-Hybridwellen zu verstehen ist. In

2(i einem Aufsatz verhältnismäßig jüngeren Datums von G. Goubau in der Zeitschrift »Journal of Applied Physics« (1950, S. 1119), werden die Oberflächen wellen in einem, zylindrischen Leiter (Draht) untersucht. Die Oberflächenwellen (Drahtwellen) sind von 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. Goubau hat gezeigt, daß man eine Konzentration der Energie in dem Leiter erhält, wenn dessen Oberfläche

3d 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 Feldausdehnung auf praktisch annehmbare Werte geführt, wobei die Feldausdehnung als das Volumen definiert werden kann, das 90% (oder irgendeinen anderen festgelegten Bruchteil) der Energie einschließt. Diese Untersuchungen sind von Chavance und Chiron fortgesetzt worden und haben insbesondere ihren Niederschlag in einem Aufsatz gefunden, der in der Zeitschrift »Les Anales des Tel6communications«, Bd. 8, Nr. 11, November 1953, S. 367, veröffentlicht worden ist. Als Quasi-TM-Oberflächenwelle wird eine Welle bezeichnet, die sich unter sehr ähnlichen Bedingungen ausbreitet, jedoch eine kleine Komponente des magnetischen Wechselfeldes in der Ausbreitungsrichtung aufweisen kann. Unter HEu-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 Komponente des Magnetfeldes zusätzlich zu den transversalen Komponenten auf. Das magnetische Wechselfeld 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 erfindungsgemäßen 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 als dreimal größer als das Frequenzband von TEM-Wellen bei der gleichen Trägerstruktur ist. Ferner neigt die Verteilung der Höchstfrequenznergie in der oder rings um die Trägerstruktur zur spontanen Ausbildung einer nicht linear polarisierten Welle, d.h. zur Ausbildung einer longitudinalen Komponente des Magnetfeldes zusatz-

lieh zu der transversalen Komponente. Eine zirkuläre Polarisation des Magnetfeldes kann leicht erhalten werden, wie soeben für den Fall der HE_n -Wellen angegeben wurde.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung enthält die für die Wellenausbreitung dienende Struktur wenigstens einen Teil aus magnetischem Material. Für bestimmte Formen von Oberflächenwellen, insbesondere die HEii-Hybridwellenform, kann dieser Teil das ganze Medium bilden. Wie bereits zuvor erwähnt κι 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 vorgeschriebenen Orientierung r> des Magnetisierungsfeldes eben ist. Bei bestimmten Formen von Oberfiächenweiien ist es notwendig, die Ausbildung einer nichtlinearen Polarisation des magnetischen Wechselfeldes zu begünstigen. Dies wird dadurch erreicht, daß ein dieelektrisches Medium zu :<i dem magnetischen Medium derart hinzugefügt wird, daß die Verbindungsteile der beiden Medien die Ausbreitungsrichtung enthält und das so gebildete zusammengesetzte Medium in einer Ausbreitungsrichtung elektrisch kontinuierlich ist, weil sonst hohe :ϊ Einfügungsverluste entstehen. Die Kontinuität des Mediums wird durch die Bedingung μί ■ er**μ,, ■ e_c ausgedrückt, wobei μί ο die Anfangspermeabilität und ει die Dielektrizitätskonstante des magnetischen Materials sind, während μ^ die Permeabilität und e_c die jo Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums sind (praktisch gilt μι= 1).

Bei bestimmten Ausführungsformen kann die für die Wellenausbreitung dienende Struktur mit einem Leiter von angepaßter Form verbunden werden. Die so j> abgebildete Struktur ist derjenigen eines Harms-Goubau-Leiters für eine rotationssymmetrische Struktur analog; im Fall einer ebenen Struktur nähen 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 die Quasi-TM-Wellenform oder im wesentlichen in eine HEn-Hybridwellenform umgeformt wird. Der Leiter ist jedoch für die Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnungen nicht unbedingt notwendig, wie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen wird.

Die geometrische Form des homogenen oder nichthomogenen Mediums kann beliebig sein, sowiet die geometrischen Parameter der zuvor angegebenen Bedingungen gehorchen. Insbesondere werden Beispiele für ebene Strukturen und für zylindrische Strukturen angeben werden. Die allgemeine theoretische Untersuchung der Ausbreitung von TM-Oberflächenwellen oder Quasi-TM-Oberflächenwellen oder Hybrid-Oberflächenwellen, beispielsweise vom Typ HEn, in dem bei den Ausführungsformen der Erfindung verwendeten homogenen oder zusammengesetzten Medium ist zu komplex, als daß sie hier wiedergegeben werden könnte.

Die vollständige mathematische Theorie führt zu transzendenten Gleichungen. Der theoretische Ansatz, der von H. Kaden in dem zuvor genannten Aufsatz gemacht wurde, ist auf ein Medium der Dielektrizitätskonstante ε und konstanter Permeabilität μ. = 1 (unmagnetisch) begrenzt. Diese Arbeiten führen schnell zu transzendenten Gleichungen. Wenn das Medium magnetisch ist, ist die Untersuchung noch komplizierter. Am Ende der Beschreibung werden Formeln angegeben werden, die einem besondern Fall entsprechen.

Die für die Ausbildung von Oberflächenwellen in dem homogenen oder zusammengesetzten Medium notwendige Wellenumwandlungsanordnung kann irgendeine der bekannten Anordnungen sein. Bestimmte Ausführungsbeispiele solcher Umwandlungsanordnungen, 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 den 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 hinzufügen, 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 berechnet. 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 eine Schwellenfreqjenz, die nur von den elektrischen und geometrischen Eigenschaften des Ausbreitungsmediums oder der Anordnung aus dem Ausbreitungsmedium und dem Leiter abhängt. Die höheren Störwellenformen, die erregt werden könnten, können I'I'lii äii SiCn bekannten mitteln leicht gcdäfnpit werden. Wenn sie sich als unerwünscht erweisen, werden z. B. in an sich bekannter Weise Metallplatten oder Metalldrähte verwendet, die senkrecht zu den Komponenten des elektrischen Wechselfeldes liegen. Die Erfahrung zeigt, daß die nutzbare Bandbreite ohne besondere Maßnahmen vier Oktaven übersteigen kann. Natürlich müssen die verschiedenen Bestandteile der erfindungsgemäßen Anordnung, insbesondere die Ober- flächenwellenerreger, in der Lage sein, solche Bandbreiten zu übertragen.

Die Verbesserung des Energieverhaltens 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 Ausbreitungsmedium stehenden Fläche, von Luft umgeben, so daß sie einen Raum einnehmen kann, der mit einer wirksamen Wärmeabführung verträglich ist, ι 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 ι 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 μ/ in der Vorwärtsrichtung und in der Rückwärtsrichtung ab, und es ist ersichtlich, daß die Art des Materials und das Vormagnetisierungsfeld so gewählt werden, daß eine maximale Änderung erhalten wird. Die Änderung von μι 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, daß 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, die sich in der Rückwärtsrichtung in dem Querschnitt des Mediums ausbildet, wie ein strahlendes Element verhält. Es ist nämlich bekannt daß jede Übertragungsleitung von Oberflächenwellen als strahlendes Element verwendet werden kann. Damit dieses Ergebnis erhalten wird, braucht nur entweder eine geometrische Unstetigkeit oder eine elektrische Unstetigkeit in die Übertragungsleitung eingefügt zu werden. Eine Unstetigkeit 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 Vormagnetisierungsfeldern, 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 ο 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 ii 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 auf den die Rückwärtswtlle 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 J" 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 oder außerhalb des Mediums geführte υ 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 w Materialien in dem Betriebsfrequenzband beruht. Die Wahl des magnetischen Materials beruht jedoch hauptsächlich auf dem Wert seiner Sättigungsinduktion. Zur Erzielung einer befriedigenden Vorwärtsdämpfung bei der niedrigsten Frequenz des Durchlaßbereichs •ti ist es notwendig, daß die Sättigungsinduktion gering ist. Zur Erzielung eines beträchtlichen Unterschieds zwischen den Permeabilitäten des Ferrits in den beiden Ausbreitungsrichtungen ist es dagegen im allgemeinen notwendig, daß die Sättigungsinduktion groß ist. Die in Erfahrung hat gezeigt, daß diese Eigenschaft des Verlustes bei kleiner Feldstärke bevorzugt in Betracht gezogen werden muß. Es ist allgemein bekannt, daß die Sättigungsinduktion des Ferrits mit der Betriebsfrequenz durch die folgende Ungleichung verknüpft ist:

" F[MHz] > 2,8 (4jn»ft+ Hc)

Darin sind:

Ms das Sättigungsmoment
Hc die Anisotropiefeldstärke.

Diese Ungleichung gilt für ein sehr schwaches Vormagnetisierungsfeld. Es ist meistens erwünscht daß man das Vormagnetisierungsfeld verringern 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 Yttriumgranat

1680G beträgt, was einer kleinsten Betriebsfrequenz von 4700MHz 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

Hinsichüich des Dielektrikums ist es erwünscht, ein Material zu wählen, dessen Verlustfaktor in dem Betriebsfrequenzbereich möglichst klein ist und und das im allgemeinen eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die in der Nähe der Dielektrizitätskonstante des Ferrits liegt Im Fall der zuvor angegebenen Granate liegt dieser Wert in der Nähe von 15. Die üblicherweise verwendeten Dielektrika (Aluminium-Beryllium-Titanate) können geeignet sein. Es sind auch die Dielektrika mit Spinell-Struktur zu erwähnen, die in der französischen Patentschrift 20 70 436 beschrieben sind, die insbesondere dann von Vorteil sein können, wenn das gewählte magnetische Material die gleiche Kristallstruktur aufweist.

Hinsichtlich des Oberflächenwellenerregers dienen die bereits zitierten Arbeiten als Ausgangspunkt für ihre Berechnung, und die Erfahrung ermöglicht es, die optimale Ausführung in jedem besonderen Fall festzulegen. Es wird zu erkennen sein, daß in bestimmten Fällen die Anwendung einer kontinuierlichen Vorrichtung bevorzugt wird, die sich von einem Anschlußglied zum anderen erstreckt. Bei anderen Ausführungsformen erfolgt die Erregung der Oberflächenwellen und ihrer Umwandlung durch zwei getrennte Vorrichtungen, die in den meisten Fällen die gleiche Form haben. Diese Vorrichtungen sind entweder leitend oder isolierend, aber im allgemeinen eben, damit die Ausbildung der eifindungsgemäßen 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.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung für einige Anwendungsbeispiele beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Art einer Richtungsleitung mit einem homogenen Träger für die Wellenausbreitung,

Fig. la einen Längsschnitt durch die Richtungsleitung von F ig. 1,

F i g. 2 eine andere Ausführungsform des Erregers der Richtungsleitung von F i g. 1,

F i g. 3 ein Kennliniendiagramm des Erregers von Fig. 2,

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

F i g. 5 ein Kennliniendiagramm des Erregers von Fig. 4,

F i g. 6, 7 und 8 weitere Ausführungsformen des Erregers der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 9 und 11 Ausführungsformen von Richtungsleitungen ohne aufgebrachte Belastung,

F i g. 10 zwei Kurven zur Erleichterung des Verständnisses der Wirkungsweise der Richtungsleitungen von Fig. 9 und 11,

Fig. 12 ein Kennliniendiagramm der Richtungsleitung von Fi g. 9,

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

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Richtungsleitung nach der Erfindung mit einem zusammengesetzten Träger für die

Wellenausbreitung,

Fig. 14a eine Schnittansicht eines Teils der Richtungsleitung von F i g. 14,

Fig. 15 eine Ausruhrungsform des Erregers bei der Richtungsleitung von F i g. 14,

Fig. 16 ein Kennliniendiagramm der Richtungsleitung von F i g. 14,

F i g. 17 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Richtungsleitung von F i g. 14,

Fig. 17a ein Kennliniendiagramm der Richtungsleitung von F ig. 17,

F i g. 18 eine weitere Ausführungsform der Richtungsleitung von Fig. 14,

Fig. 18a eine Ansicht des Anschlusses des Erregers bei der Richtungsleitung von F i g. 17,

Fig. 19 eine Ausführungsform des Erregers der Richtungsleitung von F i g. 17,

F i g. 20 ein Kennliniendiagramm einer Richtungsleitung der in F i g. 17 gezeigten Art,

Fig. 21 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Richtungsleitung nach der Erfindung, die keine Masseebene aufweist,

F i g. 22 eine Ansicht des Anschlusses des Erregers bei einer Richtungsleitung der in F i g. 21 gezeigten Art,

Fig. 23 e.n Kennliniendiagramm einer Richtungsleitung der in F i g. 21 gezeigten Art,

F i g. 24 eine Richtungsleitung mit zylindrischer Struktur,

F i g. 25 einen Erreger für eine Richtungsleitung der in Fig. 24 gezeigten Art,

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

F i g. 27 das Kennliniendiagramm des Phasenschiebers von F i g. 26,

F i g. 28 eine andere Ausführungsform einer Phasenschieberstruktur nach der Erfindung mit zusammengesetztem Träger für die Wellenausbreitung,

F i g. 29 das Kennliniendiagramm des Phasenschiebers von F i g. 28,

Fig.30 das Blockschaltbild einer Richtungsgabel bekannter Art, die mit Hilfe von Phasenschiebern nach der Erfindung ausführbar ist,

F i g. 31 das Blockschaltbild einer anderen Richtungsgabel bekannter Art, die mit Hilfe von Phasenschiebern nach der Erfindung ausführbar ist,

F i g. 32 eine dreiarmige Richtungsgabel nach der Erfindung,

F i g. 33 das Kennliniendiagramm der Richtungsgabel von F i g. 32,

F i g. 34 eine vierarmige Richtungsgabel nach der Erfindung,

F i g. 35 das Kennliniendiagramm der Richtungsgabel von F i g. 34,

Fig.36 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Wirkungsweise der Richtungsgabel von F i g. 34 und

F i g. 37 ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Richtungsgabel von F i g. 34.

In der folgenden Beschreibung sind zur Erleichterung des Verständnisses der Figuren die gleichen Bezugszeichen bei den verschiedenen Ausführungsformen beibehalten und die folgenden Übereinkünfte beachtet worden: Das gyromagnetische Material ist durch einfache schräge Schraffierungen dargestellt, die Masseebene (Leiter) ist ohne Schraffierung dargestellt, die Oberflächenwellenerreger (Metallisierung) sind durch gekreuzte schräge und zueinander senkrechte Schraffierungen dargestellt, die absorbierenden Belastungen sind

durch doppelte Schraffierungen bezeichnet, die aus horizontalen Linien und aus schrägen Linien bestehen, und die dielektrischen Teile sind durch eine Rasterung gekennzeichnet, die aus gekreuzten horizontalen und vertikalen Linien gebildet ist Ferner werden in der folgenden Beschreibung die Ausdrücke »Ferrite«, »magnetisches Material« und »gyromagnetisches Material« unterschiedslos für die Bezeichnung von Stoffen verwendet, welche die Erscheinung der gyromagnetischen Resonanz aufweisen, von der zuvor die Rede war, unabhängig von der Kristallstruktur. Es ist bekannt, daß am häufigsten zwei sehr verschiedene Familien verwendet werden: die Spinelle und die Granate.

Die Fig. 1 und la zeigen eine nach der Erfindung ausgeführte Richtungsleitung (Isolator). Diese Richtungsleitung besteht im wesentlichen aus einer Platte 2 aus gyromagnetischem Material, die auf einer Metallplatte 1 aufliegt. Die Erregung der Oberflächenwelle erfolgt mit Hilfe einer sehr dünnen Metallfolie 5, die in F i g. 1 a 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 2' über der Metallfolie 5. Die Breite der Folie ist ausreichend groß, daß sich keine elektromagnetische TEM-WeIIe in der Struktur ausbreiten kann, sondern sich allein 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-Welle) 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 Höchstfrequenzenergie absorbierende Belastung 4 ist entlang den Platten 2 und 2' angeordnet.

Unter diesen Bedingungen weist das magnetische Wechselfeld, wie in Fig. la dargestellt ist, eine longitudinale Komponente Hz auf, die senkrecht zu der Komponente Hx steht. Die Polarisation des Magnetfeldes ist wenigstens elliptisch. Unter der Wirkung des Magnetisierungsfeldes ist für eine gegebene Richtung dieses Feldes die Permeabilität des Materials größer als die Anfangspermeabilität ßro, und für die andere Richtung ist sie kleiner. Die Engergie 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 Wechselfeldes nahezug eine zirkuläre Polarisation ist und sich die ganze Energie außerhalb des Materials befindet. Sie wird dann von dem Dämpfungsglied 4 absorbiert, das entlang der Platte 2 angeordnet ist. Die Richtung des Vormagnetisierungs-Gleichfeldes ist so gewählt, daß sich die Energie in der Vorwärtsrichtung auf der dem Dämpfungsglied entgegengesetzten Seite ausbreitet, so daß der Einfügungsverlust 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 1,5 mm. Die für die Erregung verwendete Metallfolie 5 aus Kupfer ist zwischen den beiden Platten angeordnet und hat eine

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

Eine Vorwärtsdämpfung von weniger als 2J5 dB ist im Frequenzband von 3,5 bis 8,5 GHz für eine Rückwärtsdämpfung von etwa 15 dB im gleichen Frequenzband erhalten worden.

Bei einer Ausführungsform der Anordnung von Fig. 1, bei der zwei Yttriumgranatplatten doppelter Breite, also mit etwa 20 mm, verwendet werden, beträgt die erhaltene Vorwärtsdämpfung etwa 3 dB im gleichen Frequenzband, aber die Rückwärtsdämpfung ist kleiner als 6 dB. Die Verringerung der Nichtreziprozität läßt sich leicht erklären. Wenn nämlich die Breite des magnetischen Materials vergrößert wird, wird die Ausbreitung der Grundwellenform TM begünstigt Diese Wellenform weist aber eine lineare Polarisation des magnetischen Wechselfeldes auf, wodurch die nichtreziproke Erscheinung (durch Wechselwirkung mit dem äußeren Vormagnetisierungsfeld) unterdrückt wird.

Der in F ig. la gezeigte Oberflächenwellenerreger 5 weist eine Symmetrieachse parallel zur Ausbreitungsrichtung auf. Die in F i g. 2 gezeigte Variante zeigt diese Symmetrie nicht mehr. Sie ermöglicht die Erzielung einer Verbreiterung des Durchlaßbandes der so gebildeten Richtungsleitung. Wie zu erkennen ist, endet der Erreger 5 in Übergangsabschnitten bauchiger und unsymmetrischer Form. Die Übergangszonen sind durch Bögen 51, 52, 53 und 54 begrenzt, die zur Symmetrieachse der Platte hin konvex sind, und diese Bögen enden an Punkten, die in unterschiedlichen Abständen α bzw. cj von der Längsachse der Richtungsleitung liegen, welche durch die die Erregungspunkte verbindende Gerade definiert ist

Die Vergrößerung des Durchlaßbandes infolge der unsymmetrischen Ausbildung des Erregers wird auch bei allen anderen Strukturen erhalten, die nachstehend beschrieben werden, insbesondere bei den Strukturen ohne Masseebene 1 (Fig.21) und bei den Strukturen der in F i g. 8 gezeigten Art, bei denen keine elektrische Kontinuität zwischen den koaxialen Innenleitern der Eingangs- und Ausgangs-Erregungsleiter besteht, sowie bei den Strukturen mit zusammengesetztem Ausbreitungsmedium (F i g. 14).

Eine praktisch hergestellte Richtungsleitung der in F i g. 2 gezeigten Art, die unterhalb 1000 MHz betrieben wurde, hatte die folgenden Abmessungen und Eigenhf

Das magnetische Material der Platte 2 war ein Granat vom Typ Cal-Van-Big (Calcium-Vanadium-Wismut-Granat).
F i g. 3 zeigt experimentelle Kurven der Dämpfung als

f>° Funktion der Frequenz einerseits für einen Oberflächenwellenerreger mit symmetrischem Eingang und Ausgang nach Fig. la und andererseits für einen unsymmetrischen Erreger nach F i g. 2. Die Kurve 60 bezieht sich auf einen symmetrischen Erreger (Fig. la)

M mit Ci = d — 5 mm, die Kurve 61 gilt für einen symmetrischen Erreger (Fig. la) mit c, = C₂ = 10 mm, und die Kurve 62 gilt für einen unsymmetrischen Erreger (F ig. 2) mit C₁ = 5 mm und C₂ = 10 mm.

tten: c\ = 5 mm,	55 mm,	H
Cz — 10 mm,	82 mm,
Breite der Ferritplatte 2	1,5 mm,
Länge der Ferritplatte 2	0,05 mm.
Dicke der Ferritplatte 2
Dicke der leitenden Folie 5

Fig.4 zeigt eine andere Ausführungsform des Erregers, die noch bessere Leistungen ermöglicht (u. a. hinsichtlich der Rückwärtsdämpfung und der Bandbreite).

Der Erreger 5 der Richtungsleitung von F i g. 4 ist aus demjenigen von F i g. 2 dadurch abgeleitet, daß diesel entlang seiner Längssymmetrieachse in zwei Teile zerschnitten worden ist und daß zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine Unsymmetrie in der Breite der Leiterfolie 5 für die Erregung der Oberflächenwelle. eingeführt worden ist Die Oberflächenwellen-Erregerplatte hat dann die Form eines gekrümmt-geradlinigen Sechsecks mit einer großen Seite und einer kleinen Seite, die zueinander parallel sind, wobei die beiden sich an die große Seite senkrecht dazu anschließenden Seiten unterschiedliche Längen haben.

Ferner ist in der Metallschicht oder Metallfolie 5 eine Anzahl von strahlenden Schlitzen 10 angebracht, deren Abmessungen so bemessen sind, daß sie bei der Mittenfrequenz des Bandes oder bei mehreren verschiedenen Frequenzen im Band strahlen können. Es kann auch ein einziger strahlender Schlitz geeigneter Form verwendet werden. Ein zusätzliches Dämpfungsglied 11 (das von dem Dämpfungsglied 4 von F i g. 1 verschieden ist) wird dann über den strahlenden Schlitzen angebracht, damit es die ausgestrahlte zusätzliche Energie absorbiert. Demzufolge ist die Gesamtrückwärtsdämpfung sehr viel größer, während die Vorwärtsdämpfung unverändert bleibt. Das Vorhandensein des Dämpfungsglieds 11 verhindert die Beibehaltung der zweiten Ferritschicht 2' von F i g. 1.

Die Schlitze 10 ergeben eine starke Zunahme der Rückwärtsdämpfung, wie die beiden Kurven 69 und 70 von F i g. 5 zeigen, wobei die Kurve 69 für einen Erreger gilt, der mit vier Schlitzen von 2x3 mm ausgestattet ist, die eine maximale Dämpfung in der Nähe von 6 GHz ergeben, während die Kurve 70 für den gleichen Erreger ohne Schlitze gilt.

Zur Verringerung der Einfügungsverluste sind vier Schlitze 12 hinzugefügt, die auf dem Vorwärtsweg der w Richtungsleitung liegen. Nach dem gleichen Gedanken, den größen Teil der Energie des Ferrits in der Rückwärtsrichtung zu den Dämpfungsgliedern 4 und 11 zu leiten, ist es auch möglich, möglichst viel Energie in der Vorwärtsrichtung mit Hilfe der strahlenden Schlitze « 12 außerhalb des Ferrits laufen zu lassen. Um jedoch eine möglichst kleine Vorwärtsdämpfung zu erhalten, ist es notwendig, die auf dem Vorwärtsweg liegenden Schlitze mit einem Dielektrikum 13 von geeigneter Dielektrizitätskonstante zu bedecken. Auf diese Weise kann eine Verringerung der Einfügungsverluste von 0,5 dB im Durchlaßband erhalten werden.

In Fig.4 sind sowohl die Schlitze auf dem Vorwärtsweg als auch die Schlitze auf dem Rückwärtsweg dargestellt, doch kann man sich natürlich je nach dem gewünschten Zweck auch nur mit einer einzigen Reihe von Schlitzen begnügen.

In Fig.6 sind die im Erreger angebrachten Schlitze 10 durch Löcher 14 ersetzt, die durch das ferrimagnetische Material gebohrt sind und die entweder leer sind oder mit dielektrischen Pfropfen 14' gefüllt sind, deren Dielektrizitätskonstante von derjenigen des ferrimagnetischen Materials verschieden ist, und die Unstetigkeiten für die Rückwärtswelle und gegebenenfalls für die Vorwärtswelle einführen.

Schließlich sind in F i g. 7 die Unstetigkeiten durch Kerben 15 an der seitlichen Fläche des ferrimagnetischen Materials gebildet.

Wie bereits erwähnt wurde, breiten sich in der Richtungsleitung Hybrid-Oberfiächenwellen aus, (LK, daß die Welle Komponenten des magnetischen Wechselfeldes in den drei Achsrichtungen eines Bezugskoordinatensystems hat Es ist also möglich, nichtreziproke Oberflächenwellenanordnungen auch dann zu erhalten, wenn Gleichfelder angewendet werden, deren Richtungen nicht immer senkrecht zu der Ebene des Ferritplättchens sind. Insbesondere können Anordnungen mit einem Gleichfeld ausgeführt werden, das eine Longitudinalkomponente und eine Transversalkomponente parallel zu der Ebene der Ferritplatte hat Ein Ausführungsbeispiel ist in F i g. 8 gezeigt; sie bezieht sich auf eine Struktur ohne elektrische Kontinuität zwischen den Erregern 5 und 5', die mit den Innenleitern der Eingangskoaxialleitung 6 bzw. der Ausgangskoaxialleitung 7 verbunden sind. Ein transversales Gleichfeld parallel zu der Ferritplatte 2 wird von den Magnetpolen 16 und 17 eines Magnets erzeugt Die Erreger 5 und 5' haben eine Form, die eine richtige Impedanzanpassung gewährleistet Im X-Band sind Unterschiede von 20 dB zwischen der Vorwärtsdämpfung und der Rückwärtsdämpfung erhalten worden.

Die bisher beschriebenen Richtungsleitungsstrukturen enthalten eine Belastung 4 (und gegebenenfalls eine Hilfsbelastung 11), die bei der Betriebsfrequenz angepaßt ist. Derartige Belastungen, die in den meisten Fällen durch ein Eisenpulveragglomerat in einem dielektrischen Plastikmaterial gebildet sind, sind im Handel erhältlich. Bei den Ausführungsformen von F i g. 9 und 11 übernimmt der Ferrit selbst die Rolle, die Höchstfrequenzenergie in der Rückwärtsrichtung zu absorbieren, wodurch die Ausbildung der Richtungsleitungen beträchtlich vereinfacht wird. Diese bestehen dann nämlich ausschließlich aus einer Platte 2 aus gyromagnetischem Material, die gegebenenfalls auf eine Leiterplatte 1 aufgebracht ist und der ein Oberflächenwellenerreger 5 geeigneter Form zugeordnet ist. Die Struktur wird durch eine zweite Platte 2' aus gyromagnetischem Material vervollständigt, die auf die in der Zeichnung dargestellte Struktur aufgelegt wird.

Daß sich das magnetische Material gleichzeitig als Träger für die Ausbreitung der Oberflächenwelle und als Dämpfungsglied verhält, kann an Hand der Kurven von Fig. 10 erklärt werden, die aus dem Buch »Microwave ferrites und ferrimagnetics« von Lax und Button, Verlag McGraw Hill, 1962, S. 300, entnommen sind. Diese Kurven zeigen bei 9 GHz den Realuil und den Imaginärteil der skalaren Permeabilität, wie sie für zwei zirkulär polarisierte Wellen erscheint, deren Magnetfeldvektoren in entgegengesetzten Richtungen drehen, für den Fall, daß das äußere magnetische Gleichfeld senkrecht zu der Richtung des Höchstfrequenz-Magnetfeldvektors steht. Die gleiche allgemeine Form der Kurven findet man für alle gyromagnetischen Materialien bei Frequenzen, die sehr verschieden sein können. Für ein Material behalten diese Kurven, je nach den betreffenden Frequenzen, die gleiche Form, wobei sich die Maxima und Minima in Abhängigkeit von dem Wert des angelegten Feldes im allgemeinen zu höheren Werten des Feldes verschieben, wenn die Frequenz zunimmt. Im Fall von niedrigen Frequenzen (UHF zwischen 100 und 1000 MHz) kommt es vor, daß der Ferrit hohe Verluste beim Feld Null aufweist, was einem Betrieb jenseits der gyromagnetischen Resonanz entspricht. Mit anderen Worten liegt das innere Feld in der Nähe des Resonanzfeldes. Durch Anlegen eines größeren Magnetfeldes bei der betreffenden Frequenz

ist es dann möglich, die Ferrite außerhalb der Resonanz mit geringeren Verlusten zu betreiben. Das angelegte Magnetfeld hat dann die entgegengesetzte Richtung wie das Feld, das die gyromagnetische Resonanz verursacht

Bekanntlich besteht die Möglichkeit, jede nicht ebene Welle in zwei in entgegengesetzten Richtungen zirkulär polarisierte Wellen zu zerlegen. Aus den Kurven von Fig. 10 kann festgestellt werden, daß für eine Drehrichiung des Magnetfeldes (in der Zeichnung durch ι ο das Minuszeichen dargestellt) die beiden Komponenten der Permeabilität bei Änderung des äußeren Feldes praktisch konstant und nur wenig von ihrem Wert bei dem Vormagnetisierungsfeld Null verschieden sind. Dagegen gehen für die mit dem Pluszeichen bezeichnete Welle die Verluste μ+" durch ein sehr beträchtliches Maximum, das der gyromagnetischen Resonanzerscheinung entspricht Die Änderungen der zweiten Komponente μ+' der Permeabilität sind ebenfalls sehr beträchtlich. Wie bereits einleitend erläutert wurde, 2« weist eine TM-Oberflächenwelle oder Hybridwelle wenigstens zwei Komponenten des Magnetfelds auf, von denen die eine parallel zu der Ausbreitungsrichtung liegt. Wie in Fig. la angegeben ist, bildet sich in dem gyromagnetischen Material eine Oberflächenwelle aus, :·> deren Polarität von der Symmetrieachse der Struktur aus immer elliptischer wird, wobei die Drehrichtung des Magnetfeldvektors auf der einen Seite der Achse entgegengesetzt zu derjenigen auf der anderen Seite der Achse ist. Im Fall einer unsymmetrischen Erregung w (F i g. 2,4,6,7) ist auch die Aufteilung der Energie auf die Komponenten der elliptisch polarisierten Welle mit entgegengesetzten Drehrichtungen des Magnetfelds gleichfalls unsymmetrisch, und man kann durch Verwendung eines Oberflächenwellenerregers der in r< F i g. 4 gezeigten Art praktisch die ganze Eingangsenergie (Wellenform TEM) in einer der beiden Oberflächenwellen konzentrieren, die sich in einer Wellenform Quasi-TM oder TEn ausbreiten. Dies kommt darauf hinaus, daß nur eine der beiden durch die Symmetrie- ■}< > achse begrenzten Hälften der Struktur von Fig. la in Betracht gezogen wird. Unter diesen Bedingungen wird das gesamte Volumen des magnetischen Materials von einer Welle + (oder einer Welle —) eingenommen, wenn die Bezeichnungen des zuvor angegebenen Buches aufgegriffen werden. Die sich in der Rückwärtsrichtung ausbreitende Energie erscheint also zum größten Teil als eine Welle — (bzw. eine Welle +).

Wenn in dem Ferrit zwei nebeneinanderliegende Magnetfelder mit unterschiedlichen Werten ausgebildet 5u werden, die so gewählt sind, daß die diesen beiden Werten entsprechenden Permeabilitäten wenigstens in einer Ausbreitungsrichtung deutlich verschieden sind und die magnetischen Verluste für einen dieser Werte in der Rückwärtsrichtung groß sind, erhält man eine Absorption der Energie durch das magnetische Material selbst in der Rückwärtsrichtung.

Unter Bezugnahme auf die Kurven von F i g. 10 ist zu erkennen, daß zwei ziemlich verschiedene Betriebsarten angewendet werden können. Die Wahl erfolgt auf e>o Grund der Eigenschaften der verfügbaren Ferrite unter Berücksichtigung des gewünschten Betriebsfrequenzbereichs. Der erste Fall gilt für Ferrite mit großen Verlusten bei dem Magnetfeld Null, d. h. für Ferrite, die bei der Betriebsfrequenz für ein äußeres Magnetfeld Null gesättigt sind. Das Anlagen 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 Farrit 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 Bdes 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 F i g. 14 genauer erläutert wird.

F i g. 9 ist eine Oberansicht einer Richtungsleitung, die durch eine im wesentlichen rechteckige Ferritplatte 2 gebildet ist die auf eine Metallplatte 1 aufgebracht ist. Auf dem Ferrit ist der Oberflächenwellenerreger 5 angeordnet, der durch eine Metalifolie 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 fellen und die Absorption der Energie in der verlustbehafteten Zone des Materials 2 in der Rückwärtsrichtung begünstigt werden.

Der Oberflächenwellenerreger 5 erscheint in Form eines Sechsecks, das an der kleineren der beiden parallel zur Ausbreitungsrichtung liegenden Seiten durch ein Rechteck 5i verlängert ist. Wie zu erkennen ist, ist die Platte 2 aus gyromagnetischem Material in der Nähe des rechteckigen Abschnitts 5i des Erregers 5 durch Abschrägungen 2|, 22 abgeschnitten. Eine zweite Ferritplatte, die der Ferritplatte 2 gleich ist, wird im allgemeinen auf die Oberflächenwellenerregungselektrode 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 wurde, die Ausbildung einer nichtreziproken unsymmetrischen Welle, d. h., daß eine der beiden zuvor erwähnten Wellen + 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 JrMs= 900 Gauß/cm³ gekennzeichnet, wobei Ms 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 χ 60 mm χ 8 mm. Der Erreger 5 besteht aus Messing mit einer Dicke von 0,05 mm. Die leitende Platte 1 bildet eine Wand des Gehäuses. Wie aus Fig. 12 zu erkennen ist, erhält man zwischen 220 und 380 MHz Einfügungsverluste von weniger als 4 dB, die in der Mitte des Frequenzbandes 2 dB erreichen, und eine Rückwärtsdämpfung von mehr als 13 dB, die in der Mitte des Frequenzbandes 18 dB

erreicht. In der folgenden Tabelle 1 sind die Werte der Vorwärtsdämpfung ocd und der Rückwärtsdämpfung λ, einerseits für die Struktur von F i g. 9 angegeben und andererseits für eine Richtungsleitung mit gleichen Abmessungen, bei welcher der untere Teil der

Tabelle 1

Ferritplatte (d. h. der Teil zwischen den Abschrägungen 2| und 22) durch eine absorbierende Belastung gleicher Form ersetzt ist, die durch ein Agglomerat auf der Basis von Eisenpulver gebildet ist, wie es üblicherweise angewendet wird.

	f 200	220	240	260	280	300	320	340	360	380	400
Eisenpulver
*OCd*	6,5	6,5	6	5	5	2,5	2	1,4	1	1.5	2,4
*OCi*	7	7,5	8	9,5	14	18	16	9	8	8	8
Ferrit
*OCd*	5	4	3,5	2,7	2,2	2	2,2	2,3	2,5	-3 ■J	3,4
	12	14	15	15	15	16	16	15	13	13	12

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 Xi/&d der Richtungsleitung mit einer Belastung aus Ferrit besser als derjenige der Richtungsleitung mit einer Belastung aus Eisenpulver ist. Die Verwendung des Ferrits selbst als absorbierendes Material vereinfacht 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 Oberflächenwellenerreger verwendeten Metallisierung 5 dadurch stetiger gemacht ist, daß eine zum Teil gekrümmte Trapezform angewendet wird, wie in der Zeichnung dargestellt ist Eine solche Struktur ist zur Bildung einer Richtungsleitung für einen Betrieb zwischen 200 und 300 MHz verwendet worden, wobei als gyromagnetisches Material ein Granat verwendet wurde, dessen Sättigungsinduktion durch 4jrM_s=400 Gauß/cm³ gekennzeichnet war. Das Magnetfeld wurde so ausgebildet, daß der außerhalb des Magnetfelds liegende Teil der Struktur die Abmessungen 104 mm χ 10 mm χ 12 mm hatte. Die erhaltenen Ergebnisse sind in F i g. 13 dargestellt. Es ist festzustellen, daß zwischen 225 und 300 MHz die Einfügungsverluste «</ unter 2J5 dB bleiben und daß die Verluste in der Rückwärtsrichtung größer als 11 dB sind.

Die Richtungsleitungsstruktur ohne aufgebrachte äußere Belastung ergibt auch dann Vorteile, wenn der Träger für die Ausbreitung der Höchstfrequenzwelle komplex ist (gyromagnetisches Material und dielektrisches Material), wie später angegeben wird. Eine solche Richtungsleitung ist so ausgeführt, daß sich die Energie in der Vorwärtsrichtung hauptsächlich im Dielektrikum ausbreitet. In der Rückwärtsrichtung erfolgt die Ausbreitung in der Zone des Ferrits, die starke Verluste aufweist Diese Zone ist vorzugsweise diejenige, die am 2(i weitesten vom Dielektrikum entfernt ist.

In bestimmten Anwendungsfällen 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

2i 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 das Vorhandensein des Dielektrikums die Ausbildung einer zirkulären Polarisation des Magnetfeldes der Hochfrequenzwelle begünstigt Das Vorhandensein des Dielektrikums erzeugt nämlich eine longitudinale Komponente des elektrischen Feldes auf Kosten des transversalen elektrischen Feldes. Jede Änderung des elektrischen Feldes ist aber von einer Änderung des magnetischen Feldes begleitet und umgekehrt Das Vorhandensein einer longitudinalen Komponente des elektrischen Feldes läßt daher eine longitudinale Komponente des Magnetfeldes entstehen, welche die Magnetfeldkomponente verstärkt, die auf der endlichen Abmessung des Plättchens aus gyromagnetischem Material beruht Das Vorhandensein des Dielektrikums macht es ferner möglich, eine bevorzugte elliptische Polarisation zu erhalten; es gibt nicht mehr, wie im Fall der Struktur mit 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 gyromagnetischen Material eine beträchtlich größere Wirksamkeit erteilt wird. Diese quasi-zirkulare Polarisation ist besonders günstig für eine wirksame Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Wechselfeld und dem an das Ferritmaterial angelegten Vormagnetisierungs-Gleichf eld und begünstigt demzufolge die nichtreziproke Eigenschaft einer solchen Struktur.

F i g. 14 zeigt die Anordnung von F i g. 1 für den Fall einer Richtungsleitung, 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 Wellenwiderstände der beiden Leitungsabschnitte entspre-

chend 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 /-Achse ausgesetzt ist, ist der Wert der Permabilität in den Richtungen der /-Achse und der x-Achse nicht gleich, sondern er hängt von der Orientierung der Ausbreitungsrichtung (z-Achse) in bezug auf die x/-Ebene ab. In der Vorwärtsrichtung ist die Permeabilität in der Richtung der /-Achse (parallel zu dem magnetischen Gleichfeld) mit μ™ bezeichnet. Wenn das magnetische Gleichfeld sehr schwach ist, liegt μ/ο in der Nähe der Anfangspermeabilität (bei dem Vormagnetisierungsfeld Null), während man in der Richtung der x-Achse findet, daß sie in der Nähe der Komponente der Permeabilität entlang der z-Achse liegt. In der Folge soll dieser Wert mit μ« bezeichnet werden. Er kann, je nach den Betriebsbedingungen und der Art des Ferrits, kleiner oder größer als μ^ι sein.

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

(D

(2)

Darin sind ε^ die Dielektrizitätskonstante des Ferritmaterials, td die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums und μά die Permeabilität des Dielektrikums, die gleich derjenigen des Vakuums ist. Die Bezeichnungen μη und μ« haben die zuvor definierten Bedeutungen. a\ und ai sind die Abmessungen des Ferrits bzw. des Dielektrikums in der Richtung der jr-Achse.

Diese Formen gelten sowohl für die Struktur von F i g. 14 (mit Masse-Ebene) als auch für die Struktur von F i g. 21 (ohne Masse-Ebene).

Es soll nun genauer die in F i g. 14 und 14a dargestellte Ausführungsform einer Richtungsleitung beschrieben werden, bei der ein aus einem gyromagnetischen Material und aus einem dielektrischen Material 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 Si, und die dielektrische Platte 3 hat die Breite ar, beide Platten haben die gleiche Höhe b. Die Ausbreitungsrichtung liegt senkrecht zu dem Querschnitt (a\+a$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 5, 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 femer einen Eingangsanschluß 6 (Fig. 14a) und einen gleichartigen Ausgangsanschluß 7 für die Verbindung mit den Speise- bzw. Verbraucherschaltungen und einen

Permanentmagnet 8 für die Ausbildung des Magnetfeldes Hm 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 a\ und a? 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-Welienform 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 Metallplättchen 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 5 (Fig. 15) hat eine konische Form mit abgeschnittener Spitze, wobei die optimale Form experimentell 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 Innenleiter der koaxialen Anschlüsse 6 und 7 mit dem aus einer Kupferfolie ausgeschnittenen Erreger 5 verbunden sind. Diese Form des Plättchens 5 ist besonders günstig für die Herstellung der Richtungsleitung. Wie aus Fig. 15 hervorgeht, bedeckt es praktisch die ganze Oberfläche des magnetischen Materials 2. Die Erfahrung zeigt, daß man einen Oberflächenwellenerreger verwenden kann, der nur einen Bruchteil der Oberfläche des Teils 2 einnimmt Das Vorhandensein einer metallischen Ebene großer Länge in der Mitte des Ferritmaterials verbietet jedoch jede Ausbreitung in der üblichen Wellenform TEM. Die Rechnung zeigt nämlich.

Wellenwiderstand auf einen Wert von weniger als 1 Ohm im Fall einer Ausbreitung in der Wellenform TEM herabsetzt Wenn also der Oberflächenwellenerreger 5 keine vollkommene Umformung der zur Eingangsklemme übertragenen Welle in eine Oberflächenwelle durchführt, hat dies zur Folge, daß sie sich in der Struktur nicht ausbreiten kann. Der Erreger 5 spielt daher die Rolle eines Filters für die unerwünschte Wellenform. Die Kennlinien von Fig. 16 sind mit einer Vorrichtung der in Fig. 14 dargestellten Art erhalten worden, welche die Abmessungen a.\ = 32= 10 mm, b=3 mm aufwies, wobei die Anfangspermeabilität des verwendeten Granats etwa 030 betrug, wie in Fi g. 37 dargestellt ist, die Komponente des Permeabilitätstensors in der Vorwärtsrichtung in der Größenordnung von 1,60 lag, der Ferrit die Dielektrizitätskonstante ε/= 15

und das Dielektrikum die Dielektrizitätskonstante Ed= 15 hatte.

Der Oberflächenwellenerreger 5 war ein Kupferplättchen mit der Dicke 0,05 mm und der Breite 10 mm.

Das die Platte 2 bildende Ferritmaterial war ein reines ί Yttriumgranat, und das die Platte 3 bildende Dielektrikum war ein gesintertes Keramikmaterial auf der Basis von Magnesiumtitanat. Das Dämpfungsglied 4 war durch ein Agglomerat aus Eisenpulver und Kunstharz mit einer Dicke von 3 mm gebildet. Das angelegte ι ο Magnetfeld betrug etwa 300 Oersted.

F i g. 16 zeigt die experimentellen Kurven, welche die Einfügungsdämpfung Oid (untere Kurve) und die Rückwärtsdämpfung Xi (obere Kurve) als Funktion der Frequenz zeigen. Es ist zu bemerken, daß die i> Vorwärtsdämpfung zwischen 3 und 12 GHz einen Wert beibehält, der 2,5 dB nicht übersteigt. Die obere Kurve zeigt, daß die Rückwärtsdämpfung im gleichen Frequenzband niemals kleiner als 21 dB ist. Sie erreicht bei bestimmten Frequenzen 30 dB. Die Struktur von :o F i g. 14 ist jedoch nicht optimal, insbesondere hinsichtlich der Wahl des magnetischen Materials im Hinblick auf den unteren Wert der Frequenz im nutzbaren Band, und vor allem, wie später gezeigt wird, hinsichtlich der Wahl der Parameter a\ und ar.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung kann wie folgt zusammengefaßt werden: Man kann annehmen, daß unter der Wirkung des Vormagnetisierungs-Gleichfeldes H die Permeabilität des Ferrits einen Wert in der Nähe von 1,60 in der Vorwärtsrichtung erreicht. Die jo Abmessungen a\, ai und b sind so gewählt, daß die Feldausdehnung der Quasi-TM-Oberflächenwelle etwa dem Volumen der Teile 1, 2, 3 entspricht. In der Rückwärtsrichtung ist die scheinbare Permeabilität des Mediums 2 bei einer bestimmten Ausführung auf einen Wert gebracht, der klein gegen /i/o ist (in der Größenordnung von 0,25), und aus den zuvor erläuterten Gründen breitet sich praktisch die gesamte Energie im rechten Teil der Struktur aus, d. h. in der Nähe des Dielektrikums 3 und rings um dieses. Die Abmessungen des Dielektrikums sind kleiner als die Feldausdehnung. Unter diesen Bedingungen breitet sich ein großer Teil der Energie in dem Volumen aus, das von dem Dämpfungsglied 4 eingenommen wird, in welchem sie in Form von Wärme vernichtet wird; ferner wirkt der dielektrische Teil unter diesen Bedingungen ebenfalls wie ein strahlendes Element Diese summarische Erläuterung erklärt den nichtreziproken Charakter der Vorrichtung, erhebt jedoch keinen Anspruch auf Exaktheit

In F i g. 17 ist eine Variante der Ausführungsform von Fig. 14 dargestellt d.h. eine Richtungsleitung, in weicher die Wellenausbreitung in einer Struktur erfolgt die aus einer metallischen Ebene 1 in Verbindung mit einem magnetischen Teil 2 und einem dielektrischen Teil 3 besteht Bei der Ausführungsform von Fig. 17 sind die verschiedenen geometrischen und elektrischen Parameter so gewählt, daß die Energie in der Rückwärtsrichtung die Struktur auf der Seite des gyromagnetischen Materials verläßt Zu diesem Zweck eo ist, im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Strukturen, für die Vorwärtsrichtung der Ausbreitung die Richtung gewählt, bei welcher der Wert der Permeabilität μ fd des Ferrits kleiner als μη ist In diesem Fall konzentriert sich die Energie in der Vorwärtsrichtang in dem Dielektrikum, und die Einfügungsdämpfung ist kleiner als diejenige bei einer Struktur, bei welcher für die Vorwärtsrichtung die Permeabilität μ/α gewählt wird, die größer als μιο ist. Das Dämpfungsglied 4 ist dann im wesentlichen in der Nähe des gyromagnetischen Materials 2 angeordnet, wie aus Fig. 17 hervorgeht.

Die Kurven von Fig. 17a sind die Kennlinien einer Richtungsleitung, die nach dem Schema von Fig. 17 ausgeführt ist. Die in vollen Linien gezeichneten Kurven stellen die Daten dar, die für eine Struktur mit homogenem Ausbreitungsmedium gelten (wobei also das Dielektrikum 3 fortgelassen ist), während die gestrichelten Linien die Daten sind, die sich auf eine Struktur beziehen, die derjenigen von F i g. 17 gleich ist. Dadurch wird der Einfluß des Dielektrikums erkennbar. Wie in Fig. 17 dargestellt ist, hat der Erreger 5 die gleiche Form wie in Fig. 11. Die Belastung 4 ist aufgebracht.

Fig. 18 ist eine schematische Darstellung einer Variante der Ausführungsform von Fig. 17, bei welcher die Belastung 4 den Ferrit 2 auf zwei Flächen umgibt.

In Fig. 18a ist eine bevorzugte Variante der Oberflächenwellenerregung für eine Struktur der in Fi g. 17 gezeigten Art dargestellt. In der Vorwärtsrichtung, in welcher die Permeabilität μωdes Ferrits kleiner als der Wert μιο ist, ist die Feldausdehnung der Energie größer, und die Erregung kann schwieriger sein. Diese wird dadurch verbessert, daß eine Homstrahlererregung angewendet wird. Sie weist einen metallischen Hornstrahler 13 auf, der mit einem Dielektrikum 12 gefüllt ist, in welches das zusammengesetzte Medium 2-3 eingesetzt ist. Die Hornstrahlererregung vervollständigt die Erregung durch die Metallfolie 5.

Fig. 19 zeigt einen unsymmetrischen Oberflächenwellenerreger. Dieser Erreger ist dem unsymmetrischen Erreger von F i g. 4 äquivalent, jedoch an die Struktur von Fig. 14 angepaßt; es werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Man findet an der Form dieses Erregers wieder die Unsymmetrie zwischen den kurzen Seiten c\ und d des gekrümmten Trapezes, die strahlenden Schlitze 10 und 12, das Hilfsabsorptionsglied 11 in der Nähe der Belastung 4 und das Anpassungs-Dielektrikum 13 bei den Schlitzen 12 des Dielektrikums 3.

Fig.20 zeigt die Kennlinien der Einfügungsdämpfung OLd und Rückwärtsdämpfung λ; bei einer Ausführungsform einer Richtungsleitung der in F i g. 17 gezeigten Art, deren Parameter gegenüber den Werten der Ausführungsform, deren Kennlinien in Fig. 17a gezeigt sind, optimalisiert worden sind.

Fig.21 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Richtungsleitung. In technologischer Hinsicht beruht der wesentliche Unterschied zwischen der Struktur von F i g. 21 und derjenigen von F i g. 14 darin, daß bei der neuen Ausführungsform die Metallplatte i fortgelassen ist. Man erkennt wieder das magnetische Material 2, das dielektrische Material 3 und die als Oberflächenwel- lenerreger dienende Metallfolie 5. Der Erreger 5 kann der Ausführung von Fig. 15 entsprechen.

Gemäß einer Variante der in F i g. 21 dargestellten Ausführungsform der Richtungsleitung wird das Dielek trikum 3 fortgelassen. Die Ausbreitang der Oberflä chenwelle erfolgt in der Struktur, die auf das gyromagnetische Material 2 beschränkt ist Diese Ausführungsform ist derjenigen von F i g. 1 ähnlich (wobei aber die Masse-Ebene 1 fortgelassen ist). Es ist offensichtlich, daß auch eine solche Struktur in den Rahmen der Erfindung fällt In diesem Fall treten aber wieder die bereits im Zusammenhang mit der Struktur von Fi g. 1 angegebenen Nachteile auf, und die Lösung

mit einem zusammengesetzten Material erscheint vorteilhafter.

Fig. 22 zeigt eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 21. Wie zu erkennen ist, ist der Erreger im wesentlichen durch einen Metallzylinder 13 gebildet, der demjenigen von Fig. 18a analog ist und mit einem dielektrischen Material 12 gefüllt ist, dessen Dielektrizitätskonstante in der Nähe derjenigen des gyromagnetischen Materials liegt. Eine Metallfolie 5 geringer Dicke steht in Kontakt ι mit dem Innenleiter des koaxialen Anschlusses 6. Die Erregung erfolgt durch die aus dem Hornstrahler 13, dem Dielektrikum 12 und der Metallfolie 5 gebildete Anordnung; bei dieser Art der Erregung, die sich besonders für Strukturen ohne Masse-Ebene eignet, ist es nicht notwendig, daß die mittlere Metallfolie über die ganze Länge der Leitung zusammenhängend ist; es braucht keine metallische Verbindung zwischen den beiden Innenleitern der koaxialen Anschlüsse zu bestehen. Eine solche Struktur erregt in der Leitung 2,3 von F i g. 21 eine Oberflächenwelle, die sich in der Wellenform HEn (oder einer sehr ähnlichen Wellenform) in dem massiven dielektrischen Wellenleiter ausbreitet, der von den Teilen 2 und 3 gebildet wird. Die Abmessungen und die Art der Teile 2 und 3 sind die gleichen wie bei den entsprechenden Elementen der Anordnung von Fig. 14. Die Dämpfungskennlinien der so gebildeten Richtungsleitung sind in Fig. 23 dargestellt. Sie sind denjenigen von F i g. 16 sehr ähnlich.

F i g. 24 zeigt eine Variante der Anordnung nach der Erfindung; bei welcher das zusammengesetzte Ausbreitungsmedium eine zylindrische Form hat, während die zuvor beschriebenen Ausührungsformen quaderförmig waren. Das Dielektrikum 2 und der Ferrit 3 erscheinen in Form von Stäben mit halbkreisförmigem Querschnitt, die an ihren flachen Seiten entlang einer diametralen Ebene 20 aneinandergefügt sind. Das Dämpfungsglied 4 hat die Form eines zylindrischen Mantels 4, der entweder die gesamte Struktur umgibt oder vor allem den Teil, der als Träger für die Wellenausbreitung in der Rückwärtsrichtung dient, wie in Fig. 24 dargestellt ist. Die Verbindungen sind, wie bei den zuvor beschriebenen Strukturen, durch koaxiale Anschlüsse 6 und 7 gewährleistet, deren Innenleiter 21 mit dem Oberflächenwellenerreger 22 verbunden sind, der durch eine Metallfolie gebildet ist, die in der Ebene 20 der den beiden Teilen 2 und 3 gemeinsamen Fläche angeordnet ist und die in F i g. 25 gezeigte Form hat. Diese Form ist ein Rechteck, an das sich zwei gleichschenklige Dreiecke anschließen, deren Basis mit der Schmalseite des Rechtecks zusammenfällt. Bei bestimmten Ausführungsformen, bei denen die Vorrichtung lang ist, kann der einzige Erreger 22 durch zwei Wellenformwandler ersetzt werden, die nicht zusammenhängen, wie durch die Teile ABCDEund A 'B'C'D'E'angedeutet ist

In Fig.26 ist schematisch eine Oberansicht eines nichtreziproken Oberflächenwellen-Phasenschiebers dargestellt, welcher der Struktur der Richtungsleitung von F i g. 1 entspricht, & h. als Träger für die Wellenausbreitung ein homogenes Medium aus gyromagnetischem Material aufweist Man erkennt die Ferritplatte 2 und den Erreger 5 sowie die Anschlüsse 6 und 7. Die Form des Oberflächenwellenerregers entspricht der in F i g. 11 gezeigten unsymmetrischen Art, wobei die Ferritplatte 2 rechteckig ist, weil im Fall des Phasenschiebers die Energieabsorption durch den Ferrit vermieden werden muß. Bei einer praktischen Ausführung hat die Ferritplatte eine Breite von 103 mm, eine Länge von 65 mn und eine Dicke von 1,5 mm. Der verwendete Ferrit hat ein Sättigungsmoment von 1750 Gauß/cm³ bei 3 GHz. Die Kennlinie der Phasenverschiebung als Funktion des angelegten äußeren ") Magnetfeldes ist in Fig. 27 dargestellt. Sie ist über die ganze Fläche der Vorrichtung gleichförmig. Zum Vergleich ist in F i g. 29 die Kennlinie eines nichtreziproken Phasenschiebers dargestellt, welcher der Struktur von Fig. 28 entspricht, d.h. einer zusammengesetzten n Struktur aus einem gyromagnetischen Material 2 und einem dielektrischen Material 3 in Verbindung mit einer Masse-Ebene 1. Der Oberflächenwellenerreger 5 ist zwischen zwei Materialplatten angeordnet.

Das Gleichfeld, das zur Erzielung einer maximalen ■> Phasenänderung notwendig ist, hat im wesentlichen den gleichen Wert wie das Vormagnetisierungsgleichfeld, das bei der Richtungsleitungsstruktur von Fig. 14 oder bei der Richtungsleitungsstruktur von Fig. 17 zur Erzielung eines maximalen Verhältnisses zwischen der 'it Rückwärtsdämpfung und der Vorwärtsdämpfung unter den gleichen Betriebsbedingungen und bei den gleichen Abmessungen angewendet wird. Die bei 6 GHz erhaltenen Ergebnisse bestätigen, daß die Energie fast vollkommen im Innern des Mediums in der einen n Ausbreitungsrichtung und fast vollkommen außerhalb des Mediums in der anderen Ausbreitungsrichtung enthalten ist; bei einem Phasenschieber kann es jedoch störend sein, wenn man zu sehr verschiedene Dämpfungen in den verschiedenen Ausbreitungsrichtungen J'i erhält. Nun war zuvor im Fall der Richtungsleitungen zu erkennen, daß sich die Dämpfung in der Rückwärtsrichtung wenigstens zum Teil aus den Strahlungsverlusten der Struktur ergab, so daß diese Verlustursache bei einem Phasenschieber vermieden werden muß. Es ist i"> daher wichtig, die Abmessungen au Sn und b (vgl. Fig. 14) der Struktur so zu wählen, daß das Volumen des Dielektrikums größer als die Feldausdehnung ist, damit die Verluste in der Rückwärtsrichtung bei den Ausführungsiormen verringert werden, bei denen die w Impedanz des Ferrits in der Vorwärtsrichtung klein ist. Die Theorie der Ausbreitung einer Oberflächenwelle in einem massiven dielektrischen Wellenleiter ermöglicht die Festlegung der geometrischen Eigenschaften der Struktur, mit denen diese Bedingung erfüllt wird. ■»■) Man kann eine Richtungsgabel (Zirkulator) mit Hilfe eines solchen Phasenschiebers dadurch realisieren, daß drei Phasenschieber, die jeweils eine vorbestimmte Phasenverschiebung ergeben, miteinander gekoppelt werden. Die Fig. 30 und 31 zeigen schematisch V) bekannte Strukturen von Richtungsgabeln, die aus Phasenschiebern gebildet sind. Die in Fig.30 gezeigte Richtungsgabel in Dreieckschaltung ist aus drei Phasenschiebergiieuern 30, 3i, 32 gebildet, von denen jedes eine Phasendifferenz von 60° ergibt und beispielsweise durch den Phasenschieber von F i g. 28 gebildet ist Die drei Arme der Richtungsgabel sind bei 33,34 bzw. 35 dargestellt Eine solche Richtungsgabel ist bereits in der französischen Patentschrift 15 67104 beschrieben.

Das Schema von Fig.31 entspricht einer einfachen Struktur einer Richtungsgabel bekannter Art mit vier Armen 36,37,38,39. Diese Richtungsgabel enthält zwei 3-dB-RJchtkoppler 40 und 41 und zwei 90"-Phasenschiebeglieder 42 und 43, die jeweils der Ausführungsform von Fig.28 entsprechen. Der eine Zweig enthält außerdem ein zweites Phasenschieberglied 44, das eine feste Phasenverschiebung von 180° erzeugt und beispielsweise durch einen gegebenenfalls mit einem

Dielektrikum belasteten Leitujigsabschnitt gebildet ist, dessen Länge gleich der halben Phasenwellenlänge in der Leitung ist. Dir Richtkoppler 40 und 41 können beispielsweise von der Art sein, wie sie in dem Aufsatz von Shelton in der Zeitschrift »Microwaves«, April 1965, S. 14 bis 19, beschrieben ist Der Koppler wird durch die Verbindung von 8,34-dB-Kopplern erhalten. Sie umfassen das Frequenzband von 1 bis 10 GHz und beschränken somit nicht das Frequenzband der Phasenschieberglieder. Richtkoppler, welche sich für diese Ausführung eignen, sind in der französischen Patentschrift 12 22 658 beschrieben.

Fig.32 zeigt eine Schnittansicht in einer die Ausbreitungsrichtung enthaltenden Mittelebene durch eine Ausführungsform einer dreiarmigen Richtungsgabel nach der Erfindung. Diese Richtungsgabel ist im wesentlichen durch ein Glied von gleicher Art wie die in F i g. 17 gezeigte Struktur gebildet, bei der das Dämpfungsglied fortgelassen ist An Stelle dieses Dämpfungsglieds ist eine Kopplungsvorrichtung vorgesehen, die mit einem koaxialen Ausgang V₃ verbunden ist Diese Kopplungsvorrichtung kann durch eine Übertragungsleitung gebildet sein, die aus einem Dielektrikum 45 besteht, das vollkommen oder teilweise durch eine Metallisierung bedeckt ist. Diese Metallisierung ist an den Innenleiter des koaxialen Ausgangs V₃ angeschlossen und gegebenenfalls mit der Metallfolie 5 verbunden, die für die Erregung der Hauptoberflächenwelle dient. Diese Richtungsgabel arbeitet nach folgendem Prinzip: In der Ausbreitungsrichtung von Vi nach V₂ (Pfeil 44) hat das Vormagnetisierungs-Gleichfeld eine solche Richtung, 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 V₃ eintretende Energie am Ausgang Vi wiederzufinden.

Die Kurven von F i g. 33 zeigen die Kennlinien der Richtungsgabel von F i g. 32. Das Schema von F i g. 34 zeigt in der gleichen Ebene eine Ansicht einer vierarmigen Richtungsgabel. Diese Richtungsgabel ist im wesentlichen aus zwei Gliedern der in Fig. 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 Fig.32 verwendet wird. In bestimmten Ausführungen ist die Kopplung 46 nicht vorhanden, und die beiden Glieder sind ohne Zwischenraum aneinandergefügt. Das Schema von F i g. 36 zeigt schematisch die Richtung der magnetischen Wechselfelder in der Struktur. Gemäß einer bevorzugten Ausführung hat das angelegte Vormagnetisierungs-Gleichfeld in den beiden Gliedern die gleiche Richtung. In diesem Fall folgt die über den Arm V₂ der R-chtungsgabel eintretende Energie der durch den Pfeil 47 angegebenen Richtung; die Energie kann sich dann in zwei Teile aufteilen, von denen ein Teil zu dem Ausgang V3 und der andere Teil zu dem Ausgang V4 gelangen können.

Wie in F i g. 36 gezeigt ist, findet die zum Ausgang V4 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 V2 abgegebene Energie wird zu der Richtung mit hoher Permeabilität geführt und findet sich am Ausgang V₃. Umgekehrt ist in der Richtung von V₃ nach V₄ die Permeabilität des Materials gering, und die Energie wird im Innern des Mediums gehalten und findet sich am Arm V₄ wieder.

Die Kurven von F i g. 35 zeigen die Eigenschaften der vierarmigen Richtungsgabel von Fig.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 Masse-Ebene. Es ist aber offensichtlich, daß auch Richtungsgabeln aus Gliedern mit homogenem Material (ohne Dielektrikum) und aus Stukturen ohne Masse-Ebene gebildet

2ϋ werden können.

Die Ausbreitung einer Oberflächenwelle vom Typ TM oder vom Typ Quasi-TM in der Struktur von F i g. 14 kann mathematisch insbesondere auf Grund des Aufsatzes von H. Kaden, »Dielektrische und metallische Wellenleiter« i.i 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 ersten Aufsatzes angegeben ist, bezieht

jo 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 μί₀ und der Dielektrizitätskonstanten Bf, 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 sowie von der Frequenz sind, wenn das Material geeignet gewählt ist. Als Beispiel sind in F i g. 37 die Änderungen der Permeabilitat 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 H, da

■45 die Permeabilität des magnetischen Materials dann eine Tensorgröße wird. Diese Überlegungen ermöglichen es, die von 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\ und a2 zu dem Begriff der »kleinsten 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-Umwandlung oder der Erregungsverluste). Wenn man annimmt, daß etwa 25% 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:

32

= Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums,
= Breite der dielektrischen Platte,

k = 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 ka.Ji man annehmen, 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 Oberflächenwellen 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 theoretischen Untersuchung über zylindrische Strukturen, die von H. Severin und G. Schulten in der Zeitschrift »Revue technique Philips«, Bd. 26, Nr. 4,1965, 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 und den geometrischen Parametern aufstellen, die das Vorhandensein der Oberflächenwelle garantiert Diese Beziehung ist:

(,,-1X0,76 (4)

Darin sind:

a\ = Breite des magnetischen Materials,

ai = Breite des dielektrischen Materials,

b = gemeinsame Höhe der beiden Teile,

Bf — Dielektrizitätskonstante des magnetischen

Materials in der Vorwärtsrichtung,
μ,« = Permeabilität des magnetischen Materials

in der Vorwärtsrichtung,
Bd = Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums

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 Kaden 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:

Die Formeln (1), (2), (3) und (4) ermöglichen es, die Abmessungen a\, a₂ und b so zu wählen, daß ein Betrieb in einem gegebenen Frequenzband erhalten wird. Eine vollständige Untersuchung der Wellenausbreitung in ε</=10; Et= 13; μ/-₀
μ«=0,25; d=3mm
a₂=10 mm; F_mar
F_min=2400 MHz.

i = 16mm;

Hierzu 22 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nichtreziproke Übertragungsanordnung für elektromagnetische Höchstfrequenzwellen mit einer elektrischen Leitung, deren der Wellenausbreitung dienendes Medium wenigstens zum Teil aus einem gyromagnetischen Material besteht und eine parallel zu der Ausbreitungsrichtung der Welle liegende größte Abmessung hat, während die beiden anderen Abmessungen klein gegen diese Abmessung sind, und die eingangs- und ausgangsseitig über eine Einrichtung zur Umwandlung des Wellentyps TEM in einen Wellentyp, der an der Oberfläche des Ausbreitungsmediums ein zirkulär polarisiertes Magnetfeld aufweist, an eine eine TEM-Welle führende Leitung angeschlossen ist, und i<üt einer Yormagnetisierungsvorrichtung, die in wenigstens einem Teil des Ausbreitungsmediums der Leitung ein senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehendes homogenes Magnetfeld derart ausbildet, daß die Permeabilität des gyromagnetischen Ausbreitungsmediums für die eine Ausbreitungsrichtung größer und für die andere Ausbreitungsrichtung kleiner als die Anfangspermeabilität ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitung eine Oberflächenwellenleitung ist, und daß zur eingangs- und ausgangsseitigen Umwandlung eine Erregungsanordnung (5) vorgesehen ist, die eine im Innern des Ausbreitungsmediums (2) liegende ebene Metallschicht aufweist und die die dem Eingang der Oberflächenwellenleitung zugeführte Eingangswelle der Wellenform TEM in eine Oberflächenwelle der Wellenform TM oder Quasi-TM oder der Hybridform HEii und am Ausgang der Oberflächenwellenleitung die Oberflächenwelle in eine Ausgangswelle der Wellenform TEM umwandelt.

2. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht der Erreguiigsanordnung(5)im Innern des Mediums (2) aus gyromagnetischem Material auf dessen ganzer 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 Anpassungsleitungsabschnitt dienen (F i g. 15).

3. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht der Erregungsanordnung (5) durch zwei ebene leitende Strukturen gleicher Form gebildet ist, die in der die Ausbreitungsrichtung enthaltenden Symmetrieebene des Ausbreitungsmediums (2) aus gyromagnetischem Material angeordnet sind (F ig. 8,25).

4. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine leitende Ebene (1), suf der das Medium (2) aus magnetischem 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 (μα) in der Richtung des Magnetfeldes groß gegen den Wert der Permeabilität ist, die in dem magnetischen Material in der Nähe des angepaßten Abschlusses besteht, wenn das Magnetfeld nicht vorhanden ist (F i g. 1, IA).

ίο

6. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach

Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsanordnung (5) eine Metaliplatte oder Metallschicht ist, welche die allgemeine Form eines Rechtecks hat, dessen Längsachse parallel zu der Ausbreitungsrichtung liegt, und dessen Ecken durch gekrümmte Einschnitte (51,52,53,54) abgeschnitten sind, deren konvexe Seiten zu der Längsachse hin gerichtet sind und die zwei geradlinige Abschnitte an den Seiten des Rechtecks begrenzen, die senkrecht

^o zu der Längsachse liegen, und daß die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse (6, 7) an einem von ihrer Mitte verschiedenen Punkt dieser geradlinigen Abschnitte angebracht sind (ei =t= o; F i g. 2).

7. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsanordnung (5) eine Metallplatte 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 zur großen Seite hin gerichtet sind, und die zwei geradlinige Abschnitte an den senkrecht zu den Grundseiten liegenden Seiten des Trapezes begren-

J5 zen, die verschiedene Längen haben, und daß die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse (6,7) in der Nähe der nicht abgeschnittenen Ecken angebracht sind (F ig. 4).

8. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Durchlaßband der Übertragungsanordnung abgestimmte strahlende Schlitze (10) entlang einer der parallel zur Ausbreitungsrichtung liegenden Seiten der Erregungsanordnung (5)

■Ti angebracht sind, und daß die strahlenden Schlitze (10) mit einem absorbierenden Material (11) bedeckt sind (F ig. 4).

9. Nichtreziproke Übertragungjanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeich-

)0 net, daß auf das Durchlaßband der Übertragungsanordnung abgestimmte strahlende Schlitze (12) entlang einer der parallel zur Ausbreitungsrichtung liegenden Seiten der Erregungsanordnung (5) angebracht sind, und daß die strahlenden Schlitze

■ϊϊ (12) mit einem dielektrischen Material (13) bedeckt sind (F i g. 4).

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

11. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die

μ Unstetigkeiten Löcher (14) sind (F i g. 6).

12. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (14) mit dielektrischem Material (14') gefüllt

sind (F ig. 6).

13. Nichtreziproke Übertragungsanordnung 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 ig-7).

14. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (8) zur Ausbildung des ι ο 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 Gleichfeld von einem zweiten Wert ausbildet, daß die beiden Bereiche eine die Ausbreitungsrichtung enthaltende Verbindungsfläche haben, und daß einer der beiden Bereiche für die Absorption der elektromagnetischen Energie in einer Ausbreitungsrichtung dient (F i g. 9).

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

16. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach :> Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Werte des Magnetfeldes größer als der Wert des Magnetfeldes sind, welcher der gyromagnetischen Resonanz des Materials in dem Betriebsfrequenzbereich entspricht. J"

17. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Werte des Magnetfeldes kleiner als der Wert des Magnetfeldes sind, welcher der gyromagnetischen Resonanz des Materials in dem Betriebsfre- s'> quenzbereich entspricht.

18. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Bereichs des magnetischen Materials, in dem das Magnetfeld den Wert Null hat, für die Führung der 4<i Wellen geeignet ist, die sich darin in der Rückwärtsrichtung ausbreiten (F i g. 9).

19. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der magnetischen Gleichfelder umgekehrt zu demjenigen magnetischen Gleichfeld gerichtet ist, das die gyromagnetische Resonanz in dem magnetischen Material bei der Betriebsfrequenz erzeugt.

20. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach 5« Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Träger für die Wellenausbreitung dienende Medium (2, 3) zusammengesetzt ist, und wenigstens einen ersten Teil (2) aus magnetischem Material aufweist, der beim Fehlen eines äußeren Magneifeldes die Anfangspermeabilität μια und die Dielektrizitätskonstante Ef hat, und einen zweiten Teil aus einem dielektrischen Material mit der Permeabilität μ_ο=\ und der Dielektrizitätskonstante ε_α ddü die beiden Teile eine gemeinsame Verbindungsfläche haben, w> welche die Ausbreitungsrichtung enthält, und daß die Materialien so gewählt sind, daß beim Fehlen eines Vormagnetisierungsfeldes gilt:/ifu · Sr=* μ^ ■ ε_ν (Fig. 14,21).

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 i g. 14).

22. Nichtreziproke Ubertragungsanordnung nach Anspruch 1 oder 20, dadurcli gekennzeichnet daß die Erregungsanordnung durch die Kombination einer Metallplatte oder Metalischicht (5) mit zwei Hornstrahlern (13) gebildet ist, daß die Metallplatte oder Metallschicht (5) die allgemeine Form eines Trapezes hat, dessen parallele Seiten zu der Ausbreitungsrichtung liegen, und daß die beiden Hornstrahler (13) mit einem dielektrischen Material (12) gefüllt sind, an den Enden des magnetischen Teils (2) des zusammengesetzten Mediums liegen und den magnetischen Teil in einer senkrecht zu der Metallplatte bzw. Metallschicht (5) liegenden Ebene umgeben (F ig. 18a, 22).

23. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsanordnung (5) eine Metallplatte oder eine Metallschicht ist, weiche die aligemeine 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, daß die Einschnitte an den Seiten des Trapezes zwei senkrecht zu den Grundseiten stehende geradlinige Abschnitte von unterschiedlicher Länge begrenzen, und daß die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse in der Nähe der nicht abgeschnittenen Ecken angebracht sind (F ig. 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 Materials 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 Verbindungsfläche haben, welche die Ausbreitungsrichtung enthält (Fig. 14 in Verbindung mit F i g. 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 Ausbreitungsrichtung, enthaltenden ebenen Fläche in Berührung miteinander stehen (F i g. 24,25).

26. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 21, nach Art einer dreiarmigen Richtungsgabel (Zirkulator), dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Teil (45) aus dielektrischem Material mit der Permeabilität μ'_ο= 1 und der Dielektrizitätskonstante e'c in Kontakt mit dem ersten Teil (2) aus magnetischem Material entlang einer parallel zu der Verbindungsfläche 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:

μπι ■ ει=μ_β ■ ε,. — μΊ- ■ ε'_€

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 (45) überdeckende dritte Ecke mit einer dritten Anschlußvorrichtung (V₃) verbunden ist (Fig. 32).

27. Nichtreziproke Übertragungsanordnung nach Anspruch 26, 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 (F i g. 32).

28. 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 zwei Strukturen nach den Ansprüchen 26 und 27 symmetrisch in bezug auf eine parallel zur Ausbreitungsrichtung liegende und durch den dritten Teil aus dielektrischem Material gehende Gerade angeordnet und an den dritten Anschlußvorrichtungen miteinander verbunden sind (F i g. 34).

29. Nichtreziproke Übertragungsanordnung 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.

30. 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.

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