DE2404168A1 - Zirkulator in mikrostrip-ausfuehrung - Google Patents

Description

R-OA 66,854

U.S. Serial No: 555,715

Filed: April 30, 1975

RCA Corporation
New York, N.. Y., V. 5_t. A,

Zirkulator in Mikrostrip-Ausf iihrung

Die Erfindung bezieht sich auf Zirkulatoren in Mikrostrip-Ausführung und betrifft speziell einen Mikrostrip-Zirkulator mit Metallgehäuse.

Unter einem "Zirkulator" (in manchen Fällen auch "Richtungsgabel" genannt) versteht man ein Hochfrequenz-Bauelement zur nichtreziproken Übertragung elektromagnetischer Energie. Die Arbeitsweise eines Zirkulgitors ist mit der eines Drehkreuzes vergleichbar, welches mehrere urn seinen Umfang verteilte Arme hat. So wird beispielsweise bei einem dreiarmigen Zirkulator die an einem Arm eintretende Leistung an einem zweiten Arm
wieder -ausgegeben, während der dritte Arm entkoppelt bleibt. Die am zweiten Arm eintretende Leistung verläßt den Zirkulator am dritten Arm und ist vom ersten Arm entkoppelt, wobei der
Richtungssinn der Leistungsweitergabe im Zirkulator für eine gegebene magnetische Vorspannung äfcets derselbe ist. Zirkulatoren sind weit verbreitet zur Realisierung von Funk-Duplexern (Sende-Empfangs-Schalter), Richtungäleitungen, Schaltvorrichtungen und anderen nichtreziproken Verbindungsgliedern zwischen Hochfrequenzleitungen. Die nichtreziproke Eigenschaft eines Zirkulators wird erhalten durch ein nichtreziprokes Element, welches an der

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'/orbindungsstelle mehrerer Ho chf requer, al atungen angeordnet ist, wobei diese Leitungen die Arme des Sirkulators bilden. Im allgemeinen besteht das nichtresiproke Element aus einem an der Verbindungsstelle der Hoclifrequanzleitungren befindlichen Material wie z.B. Ferrit oder Granat, welches magnetisch durch ein senkrecht zur "Uralaufebene" am Zirkulators gerichtetes Magnetfeld vorgespannt ist.

Das grundlegende Arbeitsprin:-:ip eines mit nichtreziproken Elementen ausgestatteten Sirkulators ist in verschiedenen einschlägigen Veröffentlichungar: beschrieben, so z.^. in dem Werk "Microwaves Ferrites and Ferrimagnetics" von B. Lax und K.J. Button, Seiten 517 bis 539 und 509 bis 630 (erschienen bei McGraw-Hill 1962).

Kit dem Ausdruck "Mikrostrip" sei hier und im folgenden eine Art Hochfrequenzleitung bezeichnet, die aus einem dielektrischen Substrat, einem einzelnen flächigen Masseleiter auf der einen Oberfläche des Substrats und einem schmalen streifenförmig^ Leiter auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats besteht. Ein aus derartigen Hochfrequenzleitungen aufgebauter Zirkulator ist in der USA-Patentschrift 3 455 213 beschrieben.

Sowohl ausPackungsgründen als-auch zur Entkopplung oder Abschirmung kann es sweckmässig sein, einen Mikrostrip-Zirkulator in einem Metallgehäuse zu verkapseln. Eine solche Verkapselung schützt den Zirkulator vor mechanischen Einflüssen und verhindert sowohl die elektromagnetische Abstrahlung als auch das Eindringen äusserer elektromagnetischer Felder. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei Anordnung eines magnetisierten Zirknlators innerhalb eines Metallgehäuses und beim Anlegen elektromagnetischer Felder- an die Arme des Zirkulators unerwünschte Gehäuseresonanzen auftreten können. Der durch die Verkapselung gebildete Hohlraum unterstützt eine unendliche Anzahl von querelektrischen und quermagnetischen Schwingungstypen (TE-Schwingungen und TM-Schwingungen), deren unterste Frequenzen

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von den Gehäuseabmessungen bestimmt v/erden. "Diese urerwünschten Gehäuseresonanzen führen zu einem plötzlichen Anwachsen der Einfügungsdämpfung, einer plötzlichen Abnahme der¹ Entkopplung und zu manchen*Resonanzschleifen' in der Phase des Reflexionsfaktors bei diskretenFrequenzen.

Der erfindungsgemäße Mikrostrip-Zirkulator befindet sich innerhalb eines Metallgehäuses und enthält ein dielektrisches Substrat, einen breiten ebenen Leiter auf der einen Oberfläche des Substrats und mehrere schmale streifenförmige Leiter, die sich auf der gegenüberliegenden Fläche des Substrats von einer gemeinsamen leitenden Zone aus erstrecken. Das Substrat enthält nahe der gemeinsamen leitenden Zone ein gyromagnetisches Material, welches durch geeignete Mittel magnetisch vorgespannt \;ird. Zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungstypen innerhalb des Gehäuses ist erfindungsgemäß ein metallischer Leiter vorgesehen, der die gemeinsame leitende Zone mit dem Gghäuse verbindet.

Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert.

Figur 1 zeigt perspektivisch einen verkapselten Mikrostrip-Zirkulator dessen Gehäuse teilweise aufgebrochen gezeigt ist, um den Blick in daß Innere freizugeben;

Schnitt

Figur 2 zeigt eine anai'Ght. des Zirkuljstors gemäß der Linie 2-2 der Figur 1.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Mikrostrip-Zirkulator 11 ist in einem rechteckigen Metallgehäuse 13 eingekapselt. Das Gehäuse 13 besteht aus den Seitenwänden 15, 1?, 19,21, einer oberen Wand 33 und einem Boden 25. Der Boden 25 hat um seinen Mittelteil herum eine öffnung, in welche ein Magnet 27 dicht eingepaßt ist, so daß unterhalb des Maßseieiters 31 eine durchgehende Bodenfläche vorhanden ist.

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Der Zirkulator 11 hat ein dielektrisches Substrat 29, einen ebenen Masseleiter 31 aufder einen Oberflüche des Substrats 2Q und schmale streifenfcrmige Leiter 33a, 33b, 33c» 43a, 43b und 43c sowie eine geraeinsame leitende Resonatorscheibe 41 auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats 29. Das Substrat 29 besteht aus einem Keramikteil 35 mit einer nahe der Mitte befindlichen öffnung und aus einer Scheibe 35 aus gyr©magnetischem Material, welche in die Öffnung des Keramikteils 36 fest eingebracht (z.B. geklebt) ist. Unter "gyromagnetischem Meterial" sei ein nichtreziprokes Material wie z.B. Ferrit; oder Granat verstanden, welches unter Vorspannung durch ein magnetisches;Feld zu einem nichtreziprokem Verhalten eines Zirkulators führt. Eine ausführlichere Beschreibung solcher Materalien befindet sich in dem oben erwähnten Werk von Lax und Button. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeiepiel ist dieses Material Ferrit. Daß dielektrische Substrat 29 einschließlich der Ferritscheibe 35 ist mit dem die gesamte eine Fläche dieser Anrodnung überdeckende Masseleiter derart im Gehäuse 13 angeordnet, daß der Masseleiter 31 unter dem Substrat 29 direkt auf dem Gehäuseboden 25 aufliegt und de gyromagnetische Ferritscheibe 35 über dem Magnet 27 aentriert ist, Die abgestuften streifenförmigen Leiter 43a, 43b und 43c laufen über die Ferritscheibe 35 und treffen sich an der gemeinsamen leitenden Resnnatorscheibe 41, die sich über der Ferritscheibe 35 befinde t und mit dieser zentriert ist. Die schmalen streifenförmigan Leiter 33a» 33b und 33c vslaufen über dem Keramiksubstrat 36 und erstrecken sich jeweils von den abgestuften Streifenleitern 43a, 43b und 43c aus zu den Wänden den Gehäuses 13 hin· Ein guter elektrischer Kontakt zwischen den Leitern 33a und 43a, den Leitern 33b und 43b und den Leitern 33c und 43c wird durch gelötete elektrische V_erbindungsstücke 71 erreicht· Die abgestuften Leiter 43a, 43b und 43c tragen dazu bei, den "Knotenpunkt" des Zirkulators., d.h. den Teil in der Nähe und einschl. der Scheibe 41, an die Mikrostripleitungen anzupassen, die rat den siimalen Leitern 33a, 33b und 33c gebildet

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werden. Die schmalen Streifenleiter 33a, 35b und 33c enden kura vor den Wänden des Gehäuses 13. Koaxialanschlüsse, wie sie mit 45 und 46 in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind, dienen zur Einkopplung und Auskopplung am Zirkulator. Dis AuSenldter der Koaxialanschlüsse (ζ.Ή. dor Anschlüsse 4 5 und 45) sind mit den Gehäuse 13 verbunden, und die Tnnenleiter 51 laufen durch isolierende Durchführungen in den Wänden des Gehäuses 1> und sind sind einsein an jeweils einen gesonderten der schmalen Streifenleiter 33a, 33b und 33c angeschlossen. Der Zirkulator in seiner bis hierher beschriebenen Form kann ähnlich ausgebildet sein, wie es in den Figuren 2 bis 4 der USA-Patentschrift 3 456213 gezeigt ist. Die Streifenleiter 33a, 33b, 33c, 43a, 43b und 43c sind gegenüber dem Mpsseleiter ausreichend schmal, um mit diesem jeweils eine Mikrostripleitung zu bilden.

Für den Betrieb des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Zirkulators wird der Magnet 27 in geeigneter 'ieise vorgespannt, wie es mit dem Pfeil 28 angedeutet ist. Unter diesen Verhältnissen v/erden am Koaxialanschluß 46 eingekoppelte md längs des Streifenleiters 33a zur gemeinsamen leitenden Resonator-Scheibe 41 übertragene elektromagnetische Wellen über den Streifenleiter 33b ausgekoppelt, während auf den Streifenleiter 33c nur wenig oder keine merkliche Leistung gekoppelt wird. In ähnlicher Weise werden eleketromagnetische Wellen,die längs des Streifenleiters 33b zur gemänsamen leitenden Resonatorscheibe 41 geführt werden, längs des Streifenleiters 33c weitergegeben und über den A_n-schluß 45 aus dem Zirkulaotr ausgekoppelt, wobei wenig oder.keine Kopplung dieser Wellen auf den Streifenleiter 33a erfolgt. Irgendwelche am Koaxialanschluß 45 zugeführte und längs des Streifenleiters 33c zur gemeinsamen Scheibe 41 gegebene elektromagnetische Wellen werden in nichtreaiproker Weise auf den Streifenleiter 33a gegeben und über diesen am Koaxialanschluß 46 ausgekoppelt„

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während auf den Streifenleiter 3?b nur wenig oder keine merkliche Leistung gekoppelt wird.

Immer wenn ein Mikrostrip-Zirkulator magnetisiert ist und sich in einem Metallgehäuse befindet, besteht die Möglichkeit unerwünschter Gehäuseresonanzen. Diese Resonanzen äußern sioh darin, daß bei diskreten Frequenzen die Einfügungsdämpfung stark ansteigt, die Entkopplung steil abnimmt und der Phasenverlauf des Reflexionsfaktors kleine Schleifen aufweist. Die Resonanzen entstehen infolge der Hochfrequenzabstrahlung, wie sie bei Mikrosteip-Schaltungen auftritt. Wenn sichder Zirkulator in einem Metallgehäuse befindet, dann wird ein HoHraumresonator für Mikrowellen gebildet, der eine unendliche Anzahl von querelektrischen und quermagnetischen dgitypen (TE-Schwingungen und TM-Schwingungen) unterstützt, wobei die untersten Frequenzen dieser Schwingungen durch die Gehäuseabmessungen bestimmt sind. Wenn jedoch zwischen die Resonatorscheibe des Zirkulator© und die Innenseite des Gehäusedeckels ein symmetrisches Metallglied eingifügt und mit diesen beiden Teilen elektrisch verbunden wird, dann wird der Hohlraum zu einer Koaxialanordnung und unterstützt nur Schwingungen des TM-Typs, d.h. querelektrisch-quermagnetische Schwingungen. Die einzige Einschränkung für dieses Metallglied besteht darin, daß sein Durchmesser gleich oder kleiner als derjenige der Resonatorscheibe ist, so daß es nicht den Zirkulatorbetrieb selbst beeinträchtigt. Die Frequenz dieser TEM-Resonanzschwingnng ist so viel höher als diejenige der TE- und TM-Schwingungstypen höherer Ordnung, daß jede unerwünschte Resonanz ürsoTiel wie einer Oktavbandbreite vermieden wird·

Die Unterdrückung unerwünschter querelektrischer und quermagnetische? Schwingungstypen erfolgt mit dem Pfosten 5% der zwischen die gemeinsame leitende Resonatorscheiba 4M und die obere leitende Wand 23 des Gehäuses 13 geschaltet ist. Der Pfosten 51 hat die Gestalt einer lireissymmetrischen Säule, deren Durchmesser d gleich oder kleiner als der Durchmesser der Hesonatorscheibe 4-1 ist. Pur den Zirkulatorbetrieb selbst ist es eine

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zwingende Vorschrift, daß der besagte Durchmesser-d des Pfostens 51 gleich oder kleiner ist als der Dinchmesser der Resonatorscheibe 41.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel hatte ein Zirkulator_; der für ©inen Frequenzbereich von 10 bis 14- GHs ausgelegt war, folgende Dimensionen bzw. Materialien: Das Substrat JS bestand aus hochreinem Aluminiumoxyd mit einer Dielektrizitätskonstante von 9$6 (es handelte sich um ein Erzeugnis der Trans-Tech Inc., 12 Meem Ave·, Gatersburg, Md.). Das Substrat hatte eine Dicke von 0,762 mm und äußere Abmessungen von 12,7 nim im Quadrat, und seine öffnung zur Aufnahme des Teils 35 war 10,16 mm groß. Das Teil 35 bestand aus Ferrit (Materialbezeichnnng TT1-3000 des oben genannten Herstellers^ Die Ferritscheibe hatte einen Durchmesser von 10,16 mm und eine Dicke von 0,762 mm. Der Durchmesser der leitenden Scheibe betrug 3,937 mm. Die Abmessungen des Gehäuses 13 waren 15*24 mm im Quadrat und 12,7 mm in der Höhe. Das Gehäuse 13 bestand aus Messing, obwohl natürlich auch jeder andere nicht-magnetische Mikrowellenleiter wie z.B· Aluminium geeignet ist. Die Stärke der Seitenwände des Gehäuses betrug 1,27 mm, und die Stärke der oberen Wand 23 und des Gehäusebodens 25 betrug 5,588 mm. Der Masseleiter bestand aus einer vergoldeten Chrom-Kupfer-Aufdampfung von 2,54 £*» Dicke. Der Pfosten 51 hatte einen Durchmesser kleiner oder gleich 3,937 mm und eine Länge von 0,762 mm. Der Magnet bestand aus Samarium-Kobalt und hatte einen Durchmesser von 7,94 mm und eine Höhe von 3,18 mm. E₁, war derart in den Gehäuseboden 25 eingepaßt, daß er am Masseleiter 31 anlag. Die Streifenleser 33a, 33b und 33c waren jeweils 0,762 breit und bildeten 50-Ohm-Mikrostripleitungen. Die abgestuften Teile und 62 der Streifenleiter 43a,43b und 43c an der Ferritscheibe 35 w&?en an die 50 Olim angepaßt. Die Wellenwiderstände der abgestuften Leitungsabschnitte 61 und 62, die von den an der-

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Ferritscheibe 35 befindlichen Streifenleitern 43a, 4^b und 43c gebildet sind, betrugen 48 bzw. 32 Ohm. Der Abschnitt war 0,635 mm und der Abschnitt 62 war 1,27 ma breit.

Der vorstehend beschriebene Zirkulator hatte bei Betrieb mit einer über den Bereich von 10 bis 14 GHz gekoppelten Frequenz eine Einfügungsdämpfung von 2 bis 6 db, wenn der Pfosten 51 nicht vorhanden war. Bei vorhandenem Pfosten 51 betrug die Einfügungsdämpfung über das Frequenzband von 10 bis 14 GHz etwa 1 db und die Entkopplung verbesserte sich aufl bis 5 db. Die gleiche Einfügungsdämpfung und die gleiche Entkopplung erhält man bei einem in der vorstehenden Weise dimensionierten Zirkulator mit vorhandemem Pfosten 51 über ein Frequenzbereich von 8 bis 16 GHz, nachdem ein zweiter (nicht dargestellter), den Magneten 27 ähnlicher Magnet in der oberen Wand 23 des Gehäuses 13 angeordnet worden war. Dieser zweite Magnet war in der gleichen Weise in das Gehäuse 13 eingebracht wie der Magnet 27.

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Claims (3)

Patentansprüche

1.J Zirkulator in Mikrostrip-Ausführung, clßv sich in einem Me- N»' tallgehäuse befindet und ein dielektrisches Substrat enthält, auf dessen einer Oberfläche ein flächiger und eine erste Wand des Gehäuses berührender Masseleiter angeordnet ist und auf dessen gegenüberliegender Oberfläche mehrere schmale Streifenleiter angeordnet sind, die von einer gemeinsamen leitenden Zone ausgehen, und wobei das Substrat in der Nähe der leitenden Zone ein gyromagnetisches Material enthält, welches magnetisch vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von im Gehäuse (13) möglichen unerwünsclten Hohlraumresonanzen des TE-und TM-Schwingungstyps ein metallis.bher Leiter(51) vorgesehen ist, der zwischen <5e gemeinsame leitende Zone (41) und eine zweite Wand (23) des Gehäuses geschaltet ist.

2. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Leiter (51) ein symmetrischer Pfosten ist, dessen Durchmesser maximal gleich ist dem Durchmesser der gemeinsamen leitenden Zone (4-1).

3. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wand (23) des Gehäuses (13) der ersten Wand (25) direkt gegenüberliegt.

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