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SCHNELLER ELEKTROMAGNET FÜR ABSTIMMBARE YIG-KOMPONENTEN Die Erfindung
bezieht sich auf einen aus weichmagnetischem Massivmaterial hergestellten, zur Erzeugung
eines homogenen zeitlich schnell veränderbaren Magnetfeldes dienenden Elektrotopfmagneten
für abstimmbare YIG-Filter bzw. für YIG abgestimmte Oszillatoren.
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Solche Elektromagneten können zur Abstimmung der ferrimagnetischen
Resonanz in Mikrowellenferriten, insbesondere in Yttrium-Eisen-Granat (YIG)-Einkristallkugeln
dienen und werden zum Aufbau von abstimmbaren Bandpass- bzw. Bandsperrfiltern und
Oszillatoren im Mikrowellenbereich benötigt. Für kleine YIG-Kugeln mit einem Durchmesser
d < #0/30, wobei #0 die Wellenlänge im Vakuum ist, beträgt die Resonanzfrequenz
fr der ferrimagnetischen Resonanz in guter Näherung: fr = Y 110 (1) y ist das sog.
gyromagnetische Verhältnis und beträgt 2,80 MHz/Oe, Ho ist das statische oder quasistatische
magnetische Abstimmfeld. Für YIG-Komponenten ist es nun im allgemeinen wegen der
PHD 72-074 Sch/S.
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Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vom Magnetfeld erforderlich externe
Magnetfelder, wie z.B. Streufelder von anderen magnetischen Beuteilen, Trafos etc.
und auch das erdmagnetische Feld, abzuschirmen. Diese Abschirmung kann am einfachsten
durch das Magnetsystem selbst erfolgen, z.B. mit einem Topfmagneten aus weichmagnetischem
Werkstoff. Neben den guten Eigenschaften des Topfmagnetsystems im Hinblick auf die
Homogenität des Luftspaltfeldes, auf die Linearität der Magnetfeld-Strom Abhängigkeit,
auf das Temperaturverhalten und die mechanische Stabilität und auf die Abschirmung
externer Magnetfelder bei kleiner Baugröße, schränkt die begrenzte Abstimmgeschwindigkeit
des Magnetfeldes und damit der Resonanzfrequenz der YIG Kugeln den Anwendungsbereich
der potentiell sehr schnell abstimmbaren (bis zu einigen MHz) YIG Komponenten ein.
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Die Abstimmgeschwindigkeit des Magnetfeldes wird durch Wirbelströme
bzw. Feldverdrändung infolge des massiven Aufbaues des Topfmagneten begrenzt. Wegen
der Verzögerung des Magnetfeldes ergibt sich praktisch bei Wobbelung des Magnetsystems
ein Fehler der Istfrequenz gegenüber der sich aus dem statischen Verhalten des Magnetsystems
ergebenden Sollfrequenz. Bei einem vorgegebenen Fehler von 1% ergibt sich z.B. eine
Abstimmdauer von 20 msec, d.h.
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maximal 50 Hz. Dieser Wert kann als typisch für übliche Topfmagnete
aus Massivmaterial angesehen werden. Damit geht eine wesentliche Eigenschaft von
YIG-Komponenten, die innerhalb von 0,1% lineare Abhängigkeit der Frequenz vom Magnetfeld,
bereits bei relativ langsamer Durchstimmgeschwindigkeit der Resonanzfrequenz verloren.
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Abhilfe läßt sich in Einzelfällen durch Verwendung von Ferrittopfkernen
oder Schnittbandkernen schaffen. Bei Topfkernen aus Ferrit sind die Wirbelströme
und damit auch die Verzögerungszeit wegen der geringen Leitfähigkeit von Ferriten
sehr klein, dagegen beschränkt die verhaltnismäßig geringe Sättigungsmagnetisierung
der in Frage kommenden Materialklasse unter Berücksichtigung des Temperaturkoeffizienten
Anwendungen auf den unteren Frequenzbereich der Mikrowellen bis zu ca. 3 GHz.
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Eine Lamellierung wie bei Transformatoren oder Drosselspulenkernen
bzw. die Anwendung von Schnittbandkernen ist unter Beibehaltung der oben genannten
Vorzüge der Topfmagnetform sehr schwer technisch befriedigend zu realisieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, in Elektro-Topfmagneten, die aus weichmagnetischen
Massivteilen hergestellt sind und zur Abstimmung der Resonanzfrequenz in YIG-Filtern
oder YIG abgestimmten Oszillatoren dienen, die zeitliche Verzögerung des Magnetfeldes
im Luftspalt gegenüber dem Spulenstrom herabzusetzen, so daß eine höhere Abstimmgeschwindigkeit
bei nur geringer Abweichung der Resonanzfrequenz vom Sollwert erzielt werden kann.
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Erfindungsgemäß gelöst wird die Aufgabe durch Anbringen mehrerer radialer
Schlitze im Polschaft. Obwohl der massive Topfmagnet nur zum Teil segmentiert ist,
nämlich dort wo die magnetische Flußdichte am größten ist, ergibt sich eine wesentlich
kleinere Verzögerungszeit. Dies beruht darauf, daß die Wirbelströme, die
nach
clex Lenz'schen Regel das Eindringen eines Magnetfeldes in elektrisch leitende Teile
verzögern, durch die Aufspaltung des magnetischen Gesamtflusses in mehrere Segmentflüsse
abnehmen.
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Im Bereich des Polschaftes ist diese Maßnahme am wirksamsten, da hier
die magnetische Flußdichte am größten ist. Experimeniell hat sich näherungsweise
eine zur Anzahl der radialen Schlitze proportionale Abnahme der Verzögerungszeit
ergeben und damit verbunden eine Abnahme der Wirbelstromverluste, die sich in einer
wesentlich geringeren Erwärmung des Topfmagneten auswirkt.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel dar. Es zeigt: Fig. 1
einen bekannten Topfmagneten im schematischen Längsschnitt mit der Anordnung einer
HF-Schaltung mit YIG Kugeln, Fig. 2 eine gemessene Verzögerungskurve der Abstimmfrequenz
für ein Magnetsystem nach Fig. 1, Fig. 3 einen schematischen Querschnitt eines Erfindungsauführungsbeispiels,
Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt eines abgeänderten Erfindungsausführungsbeispiels,
Fig. 5 eine gemessene Verzögerungskurve der Abstimmfrequenz für ein erfindungsgemäßes
Magnetsystem nach Fig. 3.
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Nach Fig. 1 liegen im Luftspalt zwischen den Polschäften 2 der Halbschalen
1 des Topfmagneten die in einer HF-Schaltung 7 befindlichen YIG-Kugeln 6. Die Spulen
5 dienen zur Erzeugung bzw.
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Abstimmung des Magnetfeldes, 8 und 8' sind HF-Stecker.
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Fig. 2 zeigt gemessene Verzögerungszeiten rder Abstimmfrequenz f
(bzw. über Gl. (1) des Magnetfeldes im Luftspalt) eines YIG-Filters mit bekannten
Topfmagneten für den Frequenzbereich 12-18 GHz bei Sägezahnstromsteuerung.
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Mit den Größen aus Fig. 2 bzw. 3 findet man für den Fehler F der Abstimmfrequenz
fo in Prozenten bei einer Sägezahnsteuerung mit der Abstimmdauer T
Für das in Fig. 2 gezeigte Beispiel ergibt Gl.(2) bei einer Abstimmdauer T= 2Or;rec
den bereits eingangs erwähnten Fehler von 1,'.
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Bei dem in Fig 3 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Schlitze,4
im Polschaft 2, die so dünn wie möglich sein sollten, in einer Stärke von 0,2 mm
mit dem Funkenerosionsverfahren hergestellt, in der Achse des Polschaftes 2 wurde
ein Kern von ca. 2 mm Durchmesser stehen gelassen um Schwingungen der einzelnen
Segmente zu vermeiden. Zur Vereinfachung des Herstellungsverfahrens ist auch ein
Teilweises Aufschlitzen des Polschaftes nur im Polbereich möglich um die Verzögerungszeit
T ZU verringern; der ungeschlitzte Teil des Polschaftes sollte darum einen größeren
Querschnitt aufweisen, um in diesem Bereich die magnetische Flußdichte und damit
die Wirbelstromverluste herabzusetzen. Der geschlitzte Polschuh 3 kann als separater
Teil gefertigt werden und z.B. in den Topfmagneten 5 eingeschraubt zu chraubt werden;
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierzu. Sinngemäß kann dieses Verfahren auch
für den ganzen Polschuh gelten, der dann an den Deckel geschraubt wird oder in ein
im Deckel befindliches Innengewinde eingeschraubt wird.
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Fig. 5 gibt Meßergebnisse von zwei verschiedenen Ausführungsbeispielen
mit 4 bzw. 8 radialen Schlitzen wieder. Mit Gl.
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(2) beträgt der Fehler der Istfrequenz bei einer Abstimmdauer von
20 msec jetzt nur noch 0,2% bzw. 0,1%
Im Gegensatz zu einem ungeschlitzten
Topfmagneten ist bei einem erfindungsgemäß ausgeführten Topfmagneten die Abhängigkeit
der Verzögerungszeit @ von der Abstimmfrequenz fo in einem großen Bereich linear,
dies geht aus Fig, 5 im Vergleich zu Fig. 2 hervor. Dadurch kann bei der im allgemeinen
bei YIG-Komponenten üblichen Sägezahnstromabstimmung mit einer Korrektur-Schaltung
in der elektronischen Steuereinheit für den Spulenstrom eine dynamische Kompensation
der Verzögerungszeit T durchgeführt werden und somit eine sehr kurze Abstimmzeit
von weniger als 1 msec mit nur ca. 0,5% Abweichung der Istfrequenz von der auf die
ansloge Ansteuerungsspannung bezogenen Sollfrequenz erzielt werden.
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Patentansprüche: