DE2231355A1

DE2231355A1 - Breitband-zirkulator

Info

Publication number: DE2231355A1
Application number: DE2231355A
Authority: DE
Inventors: Clare Earl Barnes; Brian Owen
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-06-29
Filing date: 1972-06-27
Publication date: 1973-01-25
Also published as: FR2143840A2; FR2143840B2; AU469541B2; US3714608A; GB1356884A; AU4386472A; SE365350B; BE785475R; JPS5619202A; CA951803A

Description

Breitband-Zirkulator

Die Erfindung betrifft einen Breitband-Zirkulator mit mehreren* an einen leitend abgeschlossenen gemeinsamen Bereich symmetrisch angeschlossenen Übertragungszweigen und mit längs der Symmetrieachse des gemeinsamen Bereiches axial ausgerichtet angeordneten ersten und zweiten Zylindern aus gyromagnetischem Material, deren Längen so bemessen sind, daß wenigstens ein Ende jedes Zylinders an einem dielektrischen Spalt endet, nach Patent ... (Patentanmeldung P 21 03 770.7).

Im Prinzip weist ein Y-Zirkulator eine leitend abgeschlossene Verbindungsstelle von drei Hohlleitern mit einem vormagnetisierten gyromagnetischen Körper auf, der sich entlang der Symmetrieachse der Verbindungsstelle erstreckt. Verschiedene Abwandlungen dieser Grundbauweise, die sich grundsätzlich mit den Abmessungen und der Form des gyromagnetischen Körpers und mit Mitteln zur Anpassung seiner Impedanz· an die übrigen Elemente der Vorrichtung beziehen, wurden zur Verbesserung der einen oder anderen der Betriebskenngrößen des Zirkulators vorgeschlagen.

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Es wurde inzwischen eindeutig festgestellt, daß die Betriebsweise des Zirkulators von der Beziehung zwischen den Empfindlichkeiten bzw. Übertragungsfaktoren der Verbindungsstelle auf die in dieser geführten drei Moden, nämlich den gleichphasigen Modus und die beiden entgegengesetzt drehenden Moden abhängig ist, deren Reflexionskoeffizienten gegeneinander um 120 phasenverschoben sein müssen. Die Bandbreiten-Unterschiede verschiedener Formen von Zirkulatoren hangen davon ab, bis zu welchem Grade in einer besonderen Bauform diese Phasenheziehung bei Änderung der Frequenz aufrechterhalten werden kann.

In der Stammanmeldung P 21 03 770.7 ist ein verbesserter Zirkulator beschrieben, bei dem der übliche vormagnetisierte, gyromagnetische und zylindrische Stab, der sich längs der Symmetrieachse der Verbindungsstelle erstreckt, gekürzt ist um eine dielektrische Unstetigkeitsstelle zwischen einem leitenden Abschluß der Verbindungsstelle und einem Ende des Stabes zu schaffen. Gleichzeitig erstreckt sich ein leitender Kern von einem leitenden Abschluß der Verbindungsstelle über eine Teillänge der Achse des Stabes. Allgemein bewirkt der dabei gebildete dielektrische Stab, daß gegensinnig drehende elektrische Felder normal zur Vorraagnetisierungsrichtung im gyromagnetisehen Körper induziert

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werden, wodurch dielektrische Wellenleitermoden, für die der gyromagnetische Körper als abgestimmte Resonanzanordnung wirkt, angeregt werden. Die resultierenden Phasenverschiebungen für diese Moden sind bei nicht-magnetisierten gyromagnetischem Material identisch und werden durch die elektrische Länge des Zylinde;rs bestimmt. Durch Magnetisierung des Zylinders werden die Weg-fcsw. Bahnlängen der entgegengesetzt drehenden Moden jedoch vergrößert bzw. verkleinert und durch Einstellung des Vormagnetisierungsfeldes und der Zylinderlänge können diese Moden um die beim Zirkulatorbetrieb erforderlichen 120 voneinander getrennt werden. Der leitende Kern stimmt andererseits den gleichphasigen Moden ab. Diese drei Moden können daher unabhängig derart abgestimmt werden, daß ihre Reflexionskoeffizienten um über ein Band verschoben sind. Die Breite des Bandes hängt von der Strecke ab, über die die Reflexionskoeffizienten über der Frequenz für die Moden zueinander parallel verlaufen können, d.h. gleiche und konstante Steigungen haben. Da diese Charakteristiken jedoch grundsätzlich Resonanzcharakteristiken sind-, umfassen sie steile Steigungen in der Nähe der Resonanz und Abschnitte der Steigung von angenähert 0 bei von der Resonanzfrequenz entfernten Frequenzen, so daß die Bandbreite der Zirkulation begrenzt ist.

In vielen Anwonrhmgsfallen ist die bei diesen Zirkulatoren zur Verfünunfj stehende Bandbreite jedoch unzureichend.

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Diese Probleme werden, ausgehend von einem Breitband-Zirkulator der eingangs angegebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abmessungen der ersten und zweiten gyromagnetischen Zylinder derart verschieden gewählt sind, daß jeder Zylinder für entgegengesetzt drehende Moden bei einer anderen Frequenz innerhalb des breiten Betriebsfrequenzbandes resonant ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß jeder' der beiden gyromagretlichen Zylinder wenigstens teilweise in einen Resonanzvorsprurig des leitenden Abschlusses des gemeinsamen Bereiches aufgenommen ist Und die beiden Resonanz-vorsprünge unterschiedliche Abemessungen haben.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß jeder der beiden gyromagnetischen Zylinder einen axial verlaufenden leitenden Stift enthält und die leitenden Stifte unterschiedliche Längen haben.

Die Erfindung ist auf die Erkenntnis gestützt, daß die Bandbreite d<-f Z.'rkulators der eingangs angegebenen Art um ein mehrfaches erweitert werden kann, indem mehrere Resonanzen eingeführt werden, die im Frequenzspektrum in solchem gegenseitigen Abstand liegen, daß die Charakteristiken

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der Reflexionskoeffizienten über der Frequenz gemischt werden und ein Kontinuum konstanter Steigung über das breite Frequenzband bilden. Insbesondere sind zwei getrennte Ferritzylinder in der Verbindungsstelle vorgesehen, von denen jeder eine andere elektrische Bahnenlänge für jeden der entgegengesetzt drehenden Moden hervorruft und bei einem anderen Paar von in gegenseitigem ' Abstand liegenden Frequenzen resonant wird. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist ein dünner leitender Stift axial innerhalb jedes Zylinders angeordnet, wobei die beiden Stifte unterschiedliche axiale Längen haben, um Doppelresonanzen für den gleichphasigen Moden hervorzurufen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann gezeigt werden, daß der Übergangsbereich zwischen den getrennten Charakteristiken bzw. Verlaufen durch Verwendung einer breitresonanten leitenden Platte an einem leitenden Abschluß geglättet werden kann.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des in der deutschen

Patentanmeldung P 21 03 770.7 beschriebenen Zirkulators;

Fig. 2 ein Schaubild der Reflexionskoeffizienten über der Frequenz für die mit bekannten Zirkulatoren gewonnenen Moden im Vergleich zu denjenigen Moden, die bei einigen Ausführungsformen gemäß der Erfindung gefunden wurdenj

Fig. 3 eine Querschnittansicht durch die Verbindungsstelle, in der die erfindungsgemäß modi f zier te gyromagne*- tische Anordnung und der Abstimmstift gezeigt sind;

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Fig. 4-7 QuerSchnittansichten auf gegenüber der Ausführung gennäß Fig. 3 alternative Anordnungen von gyromaonetisehen Körpern und Abstimmstiften;

Fig. 8 eine Weiterbildung der Erfindung mit einer

breit-resonanten Transformatoranordnung; und

Fig. 9 ein Schaubild der Reflexionskoeffizienten über Frequenz für die Ausführungsform nach Fig. 8.

In Fig. 1 ist der bekannte Zirkulator nach der obengenannten Patentanmeldung gezeigt. Er weist drei rechteckige Wellenleiter 20, 21 und 22 auf, die sich in einem Y unter Winkeln von 120 in einer H-Ebenen-Verbindung (die Ebene der breiten. Seite des Wellenleiters ) schneiden und einen leitend abgeschlossenen gemeinsamen Bereich bilden, von dem die Wellenbzw. Hohlleiterzweige symmetrisch abgehen. Ein Zylinder 25 aus gyromagnetischem Material, z.B. Yttrium ~ Eisen - Granat oder Ferrit ist in der Verbindungsstelle koaxial zur Symmetrieachse des Y angeordnet. Der Zylinder 25 ist entlang der Symmetrieachse vormagneti-siert, und zwar durch permanentmagnetische Polarisation oder durch Polarisation unter Verwendung von äußeren Magneten, wie dies schematisch durch den Vektor HDC dargestellt ist. Eine schmale Bohrung 24 ist längs der Achse des Zylinders 25 vorgeshen. Das obere Ende des Zylinders 25 grenzt an den oberen leitenden Abschluß 23 des gemeinsamen Bereichs an, und ein Spalt 27, der entweder mit Luft oder einem anderen nicht-magnetischen dielektrischen Material mit einer Elektrizitätskonstante im Boreich der-

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jenigen der Luft oder zumindest beträchtlich von derjenigen des Zylinders 25 abweichend, bildet den Raum zwischen dem unteren Ende des Zylinders 25 und dem unteren leitenden Abschluß der Verbindungsstelle. Ein dünner leitender Stift 28 ist axial in der Bohrung 24 angeordnet und steht mit dem oberen leitenden Abschluß in Leitungsverbindung.

Die Betriebsweise eines solchen Zirkulators wird gewöhnlich dxarch Aufteilung der Anregung einer Öffnung der Verbindungsstelle in drei Anregungen erläutert, von denen jede eine Anregung aller drei Öffnungen zur Folgohat. Die drei Anregungen entsprechen den Eigenvektoren für die Streumatrix der Verbindungsstelle. Eine erste Anregung regt alle drei Öffnungen in gleicher Weise und gleichphasig an, während die restlichen beiden Anregungen die gleichen Anregungen bei Phasen ergeben, die zu entgegengesetzt drehenden Zirku-.larpolarisationen innerhalb der Verbindungsstelle führen. Voraussetzung für die Zirkulation für diese Anregungen ist, daß ihre den Eigenwerten für die Streumatrix entsprechenden Reflexionskoeffizienten um 120 phasenverschoben sind.

Die Bedeutung des Spalts 27 ist zu verstehen,.wenn man sich vergegenwärtigt, daß in einer üblichen H-Ebenen-Resonanzverbindungsstelle die elektrischen Felder überall parallel zur Symmetrieachse stehen. Die durch den Spalt 27

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gebildete Zone hat jedoch einen Dielektrizitätskonstanten und Permeabilitätsprodukt, das von denjenigen der vom gyromagnetischen Material des Zylinders 25 besetzten Zone abweicht, so daß die Phasenkonstanten der beiden Zonen unterschiedlich sind. Daher rufen nur die entgegengesetzt drehenden Anregungen Wellen als dielektrisch geführte Moden im Zylinder 25 hervor, die im Zylinder 25 aufwärtswandern, am Abschluß 23 reflektiert und in die Verbindungs-* stelle am Spalt 27 zurückgekoppelt werden. Daher wird die Phase der entgegengesetzt drehenden Moden von der Länge des Zylinders 25, sowie dem Grad der magnetischen Polarisation des Zylinders bestimmt.

Ohne den Stift 28 überträgt der Ferritzylinder 25 keinen gleichphasigen Moden bei transversalen elektrischen Feldern. Dagegen wird mit einem Stift 28 ein solcher Mode übertragen. Da er auf den vom Stift eingenommenen Bereich begrenzt ist, sind seine Resonanzen von der Länge des Stiftes 28 bestimmt. Wie oben angegeben wurde, haben die entgegengesetzt drehenden Moden nur elektrische Querfelder auf der Symmetrieachse und werden daher vorn Stift 28 im wesentlichen nicht beeinflußt.

Die Beziehungen können aus Fig. 2 entnommen werden, welche typische Refiexionskoeffizienten 31, 3 2 und 33 in Phasengraden der drei oben beschriebenen Moden und deren Änderungen mit

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der Frequenz zeigt. Es ergibt sich, daß die entgegengesetzt drehenden Moden, dargestellt durch die Kurven 31 und 32, Resonanzcharakteristiken sind. Eine kurze Betrachtung ergibt, daß das Zentrum des linearen Bereichs, das durch den Punkt 30 angegeben ist, denjenigen einer Phasenverschiebung 0 bei Resonanz an einer Frequenz F^. entspricht, wenn der Zylinder 25 unmagnetisiert

ist. Das niederfrequente Ende entspricht einem Bereich

Ende

von +180 und das hochfrequente entspricht einer Resonanzphasenverschiebung von -180°. Die Kurven 31 und 32 werden oberhalb und unterhalb des Punktes 30 um 60° phasenverschoben, indem die Faraday-Rotationsparameter des Zylinders 25, einschließlich dessen Länge, Zusammensetzung und Magnetisierung gesteuert werden. Der Stift 28 wird sodann zur Einstellung der bei 33 dargestellten, ebenfalls eine Resonanzcharakteristik bzw. -Kennlinie bildenden Kurve des in Phase befindlichen Moden verwendet, wobei die Einstellung der Kurve 33 so erfolgt, daß ihr linearer Abschnitt in das vorgesehene Betriebsfrequenzband in einer vorgegebenen Verbindungsstelle fällt, wobei die Phase dieses Moden um 120° von der Phase des/ nächstliegenden Rotationsmoden der Kurve 31 verschoben ist. Zirkulation ist dann über den mit Λ bezeichneten Bereich möglich, in dem die Kurven im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

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Es ist zu beachten, daß dieser Bereich Λ an den hoch-,und niederfrequenten Enden von Abschnitten begrenzt ist,, in denen die Phasencharakteristiken nicht-linear werden, da sie dem typischen Muster der Phasenverschiebung in einem Resonanzkreis folgen. In diesen oberen und unteren Abschnitten existiert der für die Zirkulation erforderliche Phasenabstand zwischen den Kennlinien bzw. Charakteristikein nicht mehr, was für die frequenzbandbegrenzenden Effekte bei den bekannten Anordnungen ursächlich ist.

Auf dieser Grundlage sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung leicht aus Fig. 3 zu verstehen. In allen Fällen, bei denen die Anordnungen, die Materialien oder die Betriebsfunktionen mit den oben beschriebenen überstimmen, erübrigt sich im folgenden Teil der Beschreibung eine nähere Erläuterung.

In Fig. 3 ist eine Wellenleiter- bzw. Hohlleiter-Verbindungsstelle im Schnitt gezeigt, die in jeder Beziehung der durch die Wellenleiter 20, 21 und 22 in Fig. 1 gebildeten Art entspricht, wobei die oberen und unteren leitenden Abschlüsse mit 40 bzw. 41 bezeichnet sind. Gyromagnetische Zylinder 42 und 43 liegen auf der Symmetrieachse der Verbindungsstelle, wobei jeweils eines ihrer Enden an dem oberen b:-',w.

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an dem unteren leitenden Abschluß 40 bzw. 41 angeordnet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben beide Zylinder 42 und 43 gleiche Durchmesser. Der Zylinder 42 hat jedoch eine axiale Länge 1. gleich -^- , wobeiX,

die elektrische Wellenlänge bei der Frequenz F. (Fig. 2) ist, und der Zylinder 43 hat eine axiale Länge I^ gleich 4 , wobei ^₂ die elektrische Wellenlänge bei der in Fig. oberhalb von F. gezeigten Frequenz F_? ist. Da die Zylinder für die gegensinnig drehenden Moden als Viertelwellenlängen-Blindleitungen wirken, sind sie jeweils resonant bei den Frequenzen F. bzw. F„.

Ein leitender Stift 44, ähnlich dem in Verbindung mit Fig. beschriebenen Stift, ist in eine axiale Bohrung im Zylinder 42 eingesetzt, um den in Phase befindlichen Moden in der bekannten VJeise auf die dielektrische Modenresonanz im Körper 42 abzustimmen. Betrachtet man den Zylinder 42 und den Stift 44 als eine koaxiale kurzgeschlossene Blind- bzw. Stichleitung, so läßt sich diese Resonanz geeignet als eine solche; ansehen, welche auftritt, wenn die elektrische Länge des Stiftes 42 ein Viertel der Wellenlänge bei dem in Phase befindlichen Moden ist. Gemäß vorliegender Erfindung tollte diese Resonanz bei einer Frequenz wie F₃ in Fig. 2 auftreten, welche zwischen F und F_? liegt. Daher

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ist die zuvor beschriebene Charakteristik bzw. Kennlinie

33 für den Reflexionskoeffizienten kennzeichnend, der von dem den Stift 44 umfassenden, in Phase befindlichen Resonator" erzeugt wird. Obwohl die gleichphasige Modenresonanz im folgenden in Verbindung mit einem leitenden Stift behandelt wird, sollte berücksichtigt werden, daß der in Phase befindliche Mode ohne einen leitenden Stift ausschließlich durch geeignete Einstellung des Durchmessers der Zylinder 42 oder 43 oder mit Hilfe einer Resonanzanordnung abgestimmt werden kann, welcher in erster Linie oder differentiell den in Phase befindlichen Moden in dem in Betracht stehenden Frequenzband koppelt. Ein Beispiel für dieses Prinzip wird im besonderen in Verbindung mit Fig. 7 erläutert werden.

Nimmt man sodann an, daß die zuvor beschriebenen Charakteristiken bzw. Kennlinien 31 und 32 auch für den Körper kennzeichnend sind, so können die Reflexionskoeffizienten des Körpers 43 durch die Kennlinien 34 und 35 der Fig. 2 definiert werden. Die Frequenz F„ muß so gewählt werden, daß der Punkt der Phasenverschiebung von +180 der Kurven

34 und 35 den um -180° phasenverschobenen Abschnitt der Kurven 31 und 32 überlappt, d.h. bei einer niedrigeren Frequenz auftritt. Zusätzlich muß die Frequenz F„ ausreichend weit von F entfernt sein, damit die beiden Resonanzen nicht

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"ineinandergezogen werden" und zu einem einzigen Resonanzmoden entarten. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, suin- ^; mieren sich die Reflexionskoeffizienten und bilden ein

Kontinuum zwischen den linearen Abschnitten der entsprechenden Kennlinien, wie dies durch die gestrichelten Abschnitte 36 und 37 angedeutet ist. Auf diese Weise wird ein Zirkulator- " ; betrieb über den mit B bezeichneten Frequenzbereich erzielt, der sich über den vollen linearen Abschnitt der Kurve 33 erstreckt. ■

F.

Obwohl die ^Zylinder 42 und 43 mit gleichen Durchmessern und verschiedenen physikalischen Längen dargestellt sind, sollte beachtet werden, daß ihre elektrische Länge' der Betriebsparameter ist, der durch Änderung der Durchmesser und/oder der. Dielektrizitätskonstanten der Zylxndermaterialien beeinflußt wird, wobei entweder gleiche oder unterschiedliche physikalische Längen vorgesehen werden können. Es wurde j gefunden, daß die elektrischen Längen durch das Vorhanden- \ sein oder Fehlen von Stifte'enthaltenden Bohrungen nicht } - wesentlich beeinträchtigt werden.

t In Figi 4 wird der Zirkulationsbereich dadurch noch erwei-] tert, daß ein zweiter leitender Stift 53 in den zweiten j Zylinder 54 eingesetzt wird, der eine zweite Resonanz für

\ ; den in Phase befindlichen Moden unter Bildung eines Kontinuums

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mit der Resonanz des ersten Stiftes 44 im Zylinder 52 hervorruft. Es ist zu beachten, daß der Körper 51 kurz und dick ist, während der Körper 52 lang und dünn gestaltet ist. In beiden Fällen wird vorausgesetzt, daß diese Abmessungen so gewählt sind, daß Resonanzen von mehr oder weniger den gleichen Eigenschaften wie diejenigen gemäß Fig. 3 erzeugt werden.

Die leitenden Stifte 53 und 44 sind beide ähnlich dem Stift 44 der Ausführungsform nach Fig. 3. Die Länge des Stifes 44 entspricht einer Viertelwellenlänge für den in Phase befindlichen Moden bei einer Frequenz F„ . Die Länge des Stiftes 53 entspricht einer Viertelwellenlcinge für diesen Moden bei einer höheren Frequenz F-, um eine weitere Resonanz, wie durch den unterbrochenen Kurvenabschnitt 39 in Fig. 2 dargestellt, zu erzeugen. Wie in Fig..2 gezeigt ist, liegt die Frequenz F₃ allgemein zwischen F und F , während die Frequenz F₄ oberhalb der Frequenz F„ liegt. Außerdem sind die Frequenzen F^ und F. so weit voneinander entfernt, daß ihre entsprechenden Resonanzkennlinien 33 und 39 sich in . . dem gestrichelten Kurvenabschnitt 38 vereinigen. Der Zirkulatorbetrieb wird dabei über das Frequenzband C erreicht, das sich von dem niederfrequenten Ende des linearen Abschnitts der Kennlinie 33 bis zum hochfrequenten Ende des linearen

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Abschnitts der Kennlinie 35 erstreckt. Da der Mode bei, der Stiftresonanz der Mode niedrigster Ordnung für einen dielektrischen Wellenleiter mit Mittelleiter ist, ist die für die Resonanz bei den in Phase befindlichen Moden erforderliche Stiftlänge allgemein kleiner als die für die Resonanz in den Rotationsmoden erforderliche Ferritlänge. Daher stehen die Stifte normalerweise nicht aus den Ferritkörpern vor.

Fig. 5 stellt eine alternative Ausführungsform dar, bei · der die relativen Positionen der Komponenten im Ergebnis umgekehrt-sind. Bei dieser Ausführungsform sind zwei gyromagnetische Zylinder 55 und 56 mit unterschiedlichen Längen, die durch ein dünnes leitendes Septum 57 getrennt sind, über Abstandsstücke 58 und 59 aus einem Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante zwischen leitenden Abschlüssen bzw. Grenzplatten 40 und 41 angebracht. In den Zylindern 55 und 56 sind leitende Stifte 60 und 61 angeordnet, die von dem leitenden Septum 57 ausgehen. Die Abmessungen der Zylinder 55 und 56 und der Stifte 60 und 61 sind in der oben beschriebenen Weise gewählt. Daher werden die entgegengesetzt drehenden Moden an den durch die dielektrischen Abstandsstücke 58 und 59 gebildeten Spalten erzeugt, breiten sich in entgegengesetzten Richtungen aus und werden jeweils von dem in unterschiedlichen Abständen

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von den dielektrischen Spalten angeordneten Septum 57 reflektiert, um in der oben beschriebenen Weise die Rundlaufphasen (round trip phases) zu erzeugen. Die Stifte GO und 61 wirken als getrennte, kurzgeschlossene Viertelwellenlängen-Blindleitungen für den in Phase befindlichen Moden, wobei ihre Längen in ähnlicher Weise von dem begrenzenden Septum 57 aus gemessen werden.

In jeder der zuvor erläuterten Ausführungsform hatte die Resonanzanordnung entweder für den in Phase befindlichen Moden oder für die entgegengesetzt drehenden Moden die Form einer kurzgeschlossenen Viertelwellenlängen-Blindleitung bei der geeigneten Frequenz. Es ist jedoch möglich, diese Resonanzen mit einer äquivalenten offenen Halbwellenlängen-Blindleiturig zu erzielen; dies kann in einer besonderen Ausführungsform bei extrem hohen Frequenzen vorteilhaft sein, bei denen Teilwellenlängen extrem klein werden. Fig. 6 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel. Gyromagnetische Zylinder 71 und 72 sind über Abstandsstücke 73 und 75 niedriger Elektrxzitätskonstante zwischen leitenden Abschlüssen 40 und 41 gehaltert und durch einen zwischen ihnen angeord-neten Abstandshalter 74 getrennt. Die Zylinder 71 und 72 sind für den Rotationsmoden bei der erforderlichen Frequenz resonant, wenn sie eine halbe Wellenläncje lang sind. In ähnlicher Weise sind die in den Körpern aufgenommenen Stifte 76 und 77 für den in Phase befindlichen

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Moden resonant, wenn sie eine halbe Wellenlänge lang sind»

Bei Frequenzen im MiUiineterwellenbereich führt selbst ein Halbwellenlängen-Stift wegen seiner geringen Abmessung, der Notwendigkeit der Schaffung des Lochs bzw. der Bohrung im geomagnetischen Zylinder und der Schwierigkeit der Herstellung guter elektrischer Kontakte, mit dem leitenden Hohlleiter oder ■ dem Septum zu Problemen.

Fig. 7 zeigt daher eine weitere Alternative zum Abstimmen des in Phase befindlichen Moden. Leitende Abschlüsse 80 und 81 sind mit leitenden Erweiterungen in Form von zylinderischen Hohlräumen 82 und 83 verseilen, die sich konzentrisch zur Symmetrieachse der Verbindungsstelle erstrecken. Die gyromagnetischen ' Körper 84 und 85 sitzen in den Hohlräumen 82 und 83; in bevorzugter, jedoch nicht notwendiger Ausführungsform füllen sie die Hohlräume aus. Die Plohlraumdurchmesser müssen genügend groß gewählt werden, um den TN-Moden niedrigster Ordnung durchzulassen, wenn die Hohlräume als Abschnitte gyromagnetisch belasteter Rundhohlleiter behandelt werden. Bei dieser Ausführungsform koppeln alle drei Moden mit Resonanzen, die durch, die axialen Abmessungen der Verbindungsstelle bestimmt werden. Die Resonanzen für den in Phase befindlichen Moden werden durch die Längen der Hohlräume 82 und 83 bes'dn.mt, da die HF-Felctmoden in den nichtabgeschirmben Teilen der gyromagnetischen Körper nicht übertragen werden können. Die Robations ""^moden koppeln jedoch mit den.

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HF-Feldnoden an den idxirt--abgeschirmten Teilen dergyrorn^qnetisclir-ri Körper, und diese Moden gehen übergangslos in die HF-Fr-:i.draoden im abgeschirmten Teil des Hohlraums über. Daher ergeben sich für den in Phase befindlichen Moden Resonanzen, wenn die Hohlräume 82 und 83 eine Länge von einer Viertelwellenlänge haben, während sich für die Rotationsinoden Resonanzen ercjeben, wenn die gyromagnetischen Körper 84 und 85 eine Länge von drei Viertnlv/el lon-längen haben. Die Abmessungen der Hohlräume und der gyromagnetische!"! Körper sind so gewählt, daß sie die getrennten in gegenseitigem Abstand liegenden Resonanzen in der zuvor beschriebenen VJcise hervorrufen. Die Abmessungen der Resonatoren und der gyror.'sngnetischen Körper sind dabei so gewählt, daß sie getrennt, in gegenseitigem Abstand liegende Resonanzen in der zuvor beschriebenen Weise hervorrufen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können die getrennten Resonanzfrequenzen durch Verwendung eines zusätzlichen Resonanzkreises, der gemeinsam jeder der zuvor beschriebenen Resonanzen zugeordnet ist, noch weiter voneinander entfernt werden, um das Zirkulationsband weiter auszudehnen. Im folgenden wird auf Fig. Bezug genommen. Der Verbindungsbereich weist eine leitende Scheibe 91 großen Durchmessers an dem leitenden Abschluß 40 auf. An der Scheibe 91 befindet sich ein erster Zylinder aus corona gnetis el lern Material 92 mit einem leitenden Stift 93, der mit de.»: Scheibe °i verbunden ist. Ein zweiter Zylinder 94 aus gyromagm-t:i --chem Material ist an dem leitenden Abschluß 4i angeordnet; er v/oist einen "Wci-ten IcJ Landen Stift 9Π auf. All-!(.mein bestellt die Fur.k L .Lon ci~-r

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leitenden Scheibe 91-darin, eine niedrige Q-Resonanz zu erzeugen, welche in die relativ hohen Q-Resonanzen eier gyro™ magnetischen Zylinder 92 und 94 und der leitenden Stifte 93 und · 95 übergeht und diese glättet. Die Art dieser Glättung und die Verhältnisse aller hierfür erforderlichen Komponenten lassen sich am einfachsten unter Bezugnahme auf ein den Reflexionskoeffizienten über der Frequenz darstellendes Schaubild für jede der Komponenten erläutern.

Unter Bezugnahme auf Fig. 9 kann angenommen werden, daß die Resonanzen in den niederfrequenten Bereichen der Kurven 101 und 102, die um Fl zentriert sind, die gegenläufig drehenden Resonanzkennlinien für den Zylinder 94 darstellen, während die hochfrequenten Abschnitte der Kurven 101 und 102, welche uia F~ zentriert sind, die entsprechenden gegensinnig drehenden Resonanzkennlinien für den Zylinder 92 darstellen. Die nieder— und hochfrequenten Resonanzen in der Kurve 103 bei F- bzw. F. können als den Stiften 95 und 93 zugeordnete Resonanzen angesehen werden. Erfindungsgemäß sind die Abstände zwischen F. und F_? sowie zwischen F„ und F. im wesentlichen gleich und wesentlich größer als die entsprechenden, in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Abstände. Insbesondere sind die Resonanzen so weit voneinander entfernt, daß - wenn überhaupt - nur 'eine kleine Überlappung zwischen den beiden Resonanzen bei jeder der Kurven 101, 102 oder 103 auftritt und jede Resonanz ihre charakteristische S-Form beibehält, welche den Reflexionskoeffizienten - Phasenbereich von 360° überrjpannt. Ein typischer Abstand zwischen F. und F^ sowie

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zv/l:3c/i.'vn F₀ una F, liegt in der Größenordnung von 20 % der Betriebs-Mittt-nfrequen;: F_r. Die Scheibe 91 ist so bemessen, daß sie einen resonanten Transformator zwischen den gyromagnetic chen Zylindern und den verbindenden Hohlleitern bildet. . Die Resonanzfrequenz des Transformators liegt vorzugsweise nahe oder bei der mittleren Betriebsfrequenz F,-. Die Scheibe 91 kann vorzugsweise", jedoch nicht notwendigerweise, die Abmessungen von einer Viertelwellenlänge bei F₁-, gemessen von dem Außenrand des gyromagnetischen Zylinders 92 bis zum Außenrand der Scheibe. Die gestrichelten Kurven 104, 105 und 106, die in die Darstellung zu Demonstrationszwecken einbezogen sind, wurden aus den Kurven 101, 102 und 103 mit einer einfachen Impedanztransformation durch einen solchen Viertelwellenlängentransformator erzeugt. Diese Transformation kann unter Verwendung der bekannten Übertragungsleitungsgleichungen für die Eingangsimpedanz oder graphisch auf einer Snuth-Karte ausgeführt werden. Das Verfahren besteht darin, die Reflexionskoeffisienten gemäß Fig. 9 in Impedanzen umzusetzen, die Impedanz durch die Viertelwellen-Leitung zu ■ transformieren und die Impedanzen erneut in Reflexionskoeffizienten umzusetzen. Die Restwelligkeit der Kurven 104, 105 und 106 wird sowohl durch die Form der Kurven 101, 102 und 103 als auch die Impedanz und Länge des Transformators bzw. Anpassungsgliedes bestimmt. Wenn die Transformatorimpedanz und die Länge für minimale Welligkeit optimiert werden, beträgt der Phasenabsfeand zwischen den transformierten Reflexionskoeffizienten etwa 120 von F- nach F. oder über das Band D in Fig. 9.

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In allen Fällen, bei denen Viertelwellenleitungen angegeben sind, kann selbstverständlich jede ungerade Zahl von Viertelwellenlängen verwendet werden. In ähnlicher Weise kann dann, wenn Halbwellenleitungen angegeben sind, jedes gerade vielfache einer Viertelwellenlänge verwendet werden.

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Claims

F a t e η t a η ρ ρ r ü c h -e

1. JBreitband-Zirkulator raib mehreren, an einem lei.tend abgeschlossenen Bereich symmetrisch angeschlossenen Übertragungszweigen und mit längs der Symmetrieachse des gemeinsamen Bereiches axial ausgerichtet angeordneten ersten und zweiten Zylindern aus gyromagnetischem Material, deren Längen so bemessen sind, daß wenigstens ein Knde jedrs Zylinders an einem dielektrischen Spalt endet, nach Patent ...(Patentanmeldung P 21 03 770.7),

dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der ersten (42, 52, 55, 71, 84, 92) und zweiten (43, 54, 56, 72, 85, 94) c]yromagnetischen Zylinder derart verschieden gewählt sind, daß jeder Zylinder für entgegengesetztdrehende Moden bei einer anderen Frequenz (F , F„) innerhalb des breiten Betriebsfrequenzbandes resonant ist.

2. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden gyromagnetischen Zylinder (84, 85) wenigstens teilweise in einen Resonamovorsprung (82, 83) ö.es leitenden Abschlusses (80, 81) des gemeinsamen Bereiches aufgenommen ist und die beiden Resonanzvorsprünge- (32, 83) unter scM-odlicn Abmessungen haben.

3. Zirkulator nnch Anspruch '.1, dadurch gekc ;:n -''ichii^!-., daß jeder der beiden gyro; \.^rßvl' :-ch<--n Zylinder (52, Γ>''; Γ>5, 56;

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71, 72; 92, 94) einen axial verlaufenden leitenden Stift (44, 53; 60, 61; 76, 77; S3, 95) enthält und die leitenden Stifte unterschiedliche Längen haben.

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