DE2414939A1

DE2414939A1 - Phase shift circulator for extremely high power pulses - consists of coupler magic-T and phase shift elements

Info

Publication number: DE2414939A1
Application number: DE2414939A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl Ing Hasheider
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1974-03-28
Filing date: 1974-03-28
Publication date: 1975-10-09
Also published as: DE2414939C2

Abstract

Phase shift circulator for extremely high power pulses consists of a 3dB coupler, a magic T and two non reciprocating quadrature phase shift networks operating in opposite directions and placed next to each other. The non-reciprocating phase shift is effected by pre-magnetised strips outside the centre of the waveguide. The two phase shift elements are made up from ferrite-yttrium-iron garnets with varying dysprosium content. The direction of propagation of the wave to the 3dB coupler is caused by a waveguide with a ferrite of higher disprosium content producing a quadrature phase shift in one direction than the waveguide doing the same in the other direction.

Description

Phasenschieberzirkulator für extrem hohe Impulsleistung Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Phasenschieberzirkulator für extrem hohe Impulsleistung, bestehend aus einem 3 dB-Koppler, einem magischen T und zwei nebeneinander angeordneten, nichtreziproken und in entgegengesetzter Richtung wirkenden 90°-Phasenschiebern, deren nichtreziproke Phasenverschiebung durch ausserhalb der Mitte des jeweiligen Hohlleiters angebrachten und vormagnetisierten Ferritstreifen bewirkt wird.Phase shift circulator for extremely high pulse power The present Invention is concerned with a phase shift circulator for extremely high pulse power, consisting of a 3 dB coupler, a magic T and two side by side, non-reciprocal 90 ° phase shifters acting in the opposite direction, their non-reciprocal phase shift by outside the center of the respective Waveguide attached and pre-magnetized ferrite strips is effected.

Ein solches Gebilde arbeitet wie eine elektrische Weiche bei der von einem Sender die Energie auf eine Antenne geleitet und die Empfangsenergie aus der Antenne zurück auf einen Empfänger geleitet wird.Such a structure works like an electrical switch in the von a transmitter directs the energy to an antenna and the received energy from the Antenna is routed back to a receiver.

Anhand der Zeichnung soll die Wirkungsweise einer solchen Anordnung erläutert werden. In der Fig 1 der Zeichnung wird im Arm 1 die Sendeenergie eingespeist. Dieser Arm ist ein Zweig eines magischen T MT. Die eingespeiste Energie wird in dem magischen T MT in zwei gleiche Energieanteile aufgeteilt und erscheint je zur Hälfte in den Armen A und B in gleicher Phase.The operation of such an arrangement should be based on the drawing explained. In FIG. 1 of the drawing, the transmission energy is fed into the arm 1. This arm is a branch of a magical T MT. The fed-in energy is in the magical T MT divided into two equal parts of energy and appears each to the Half in arms A and B in the same phase.

Beide Leistungsanteile durchlaufen die beiden Hohlleiter I und II und erscheinen am Ende der beiden Hohlleiter I und II in den Ebenen C und D zu gleichen Leistungsanteilen. Jedoch ist die Phase der beiden Leistungsanteile um 900 verschieden.Both power components pass through the two waveguides I and II and appear to be the same at the end of the two waveguides I and II in planes C and D. Performance shares. However, the phase of the two power components is 900 different.

Der Phasenschieber I dreht die Phase in Richtung B-D mehr als Phasenschieber II. Bei richtiger Vormagnetisierung beträgt die Differenz der Phasenverschiebungen zwischen Ebene D und Ebene C 90°. Entsprechend tritt in Phasenschieber II in entgegengesetzter Richtung eine grössere Phasenverschiebung auf als in Hohlleiter I, so dass in dieser Richtung die Phasendifferenz zwischen Ebene A und Ebene B wiederum 900 beträgt.The phase shifter I rotates the phase in the direction of B-D more than phase shifter II. If the premagnetization is correct, the difference in the phase shifts is between level D and level C 90 °. Correspondingly, the opposite occurs in phase shifter II Direction a greater phase shift than in waveguide I, so that in this Direction the phase difference between level A and level B is again 900.

Die beiden Hohlleiter I und II sind an je einen Arm des 3 dB-Kopplers K angeschlossen. Die Energieanteile der beiden Hohlleiter I und II erscheinen nunmehr am Ausgang 2, an den die Antenne angeschlossen ist. Die Phasenverhältnisse liegen jetzt so, dass von der Ebene D, dem einen Arm des 3 dB-Kopplers K, bis zum Ausgang 2 keine Phasendrehung erfolgt, während von der Ebene C des Hohlleiters II bis zum Ausgang 2 eine Phasendrehung um 900 erfolgt.The two waveguides I and II are each on one arm of the 3 dB coupler K connected. The energy components of the two waveguides I and II now appear at output 2 to which the antenna is connected. The phase relationships are now so that from level D, one arm of the 3 dB coupler K, until to output 2 there is no phase shift, while from plane C of the waveguide II up to output 2 a phase shift of 900 takes place.

Damit erscheinen die beiden Leistungsanteile am Ausgang 2 des 3 dB-Kopplers K wieder in gleicher Phase und addieren sich, so dass in der dem Ausgang 2 folgenden Antenne die volle eingespeiste Energie am Eingang l am Ausgang 2 wieder verfügbar ist, wenn man die Eigenverluste dieser Anordnung ausser Betracht lässt.The two power components appear at output 2 of the 3 dB coupler K again in the same phase and add up, so that in the output 2 following Antenna, the full energy fed in at input 1 is available again at output 2 is if one disregards the inherent losses of this arrangement.

Kommt nun eine Welle im Ausgang 2 aus der Antenne an, so wird diese durch den 3 dB-Koppler K in gleiche Teile aufgeteilt und erscheint zu gleichen Teilen in den Ebenen C und D, jedoch mit unterschiedlicher Phase von 900.If a wave now arrives at output 2 from the antenna, it will divided into equal parts by the 3 dB coupler K and appears in equal parts in levels C and D, but with a different phase of 900.

Beide Energieanteile durchlaufen die Hohlleiter I und II. Hier findet im Hohlleiter II eine um 900 grössere Phasenverschiebung statt als im Hohlleiter I, so dass am Ausgang des Hohlleiters I und II in den Ebenen A und B beide empfangenen Energieanteile gleich gross und gleichphasig ankommen. Im magischen T MT werden beide Anteile addiert und erscheinen jetzt am Ausgang 3 des magischen T MT, an den der Empfänger angeschlossen ist.Both parts of the energy pass through the waveguides I and II a phase shift of 900 greater in waveguide II than in waveguide I, so that at the output of the waveguide I and II in planes A and B both received Energy proportions arrive equally large and in phase. Become MT in the magical T both components are added and now appear at output 3 of the magic T MT, to the the receiver is connected.

Die Arme l und 3 des magischen T MT sind elektrisch entkoppelt.The arms 1 and 3 of the magic T MT are electrically decoupled.

Die beiden Hohlleiter I und II wirken also wie nichtreziproke Phasenschieber und zwar einander entgegengesetzt. Sie drehen die Phase um jeweils 900. Diese nichtreziproke Phasenverschiebung wird erreicht durch ausserhalb der Mitte des Hohlleiters im Hohlleiter selbst angeordnete Ferritstreifen, die in geeigneter Weise vormagnetisiert sind. (Vergleiche hierzu die Fig. 2, die den Schnitt in Richtung EF der Fig. l darstellt).The two waveguides I and II thus act like non-reciprocal phase shifters and in opposition to each other. They rotate the phase by 900 each time. This non-reciprocal Phase shift is achieved by outside the center of the waveguide in the waveguide self-arranged ferrite strips which are pre-magnetized in a suitable manner. (Compare this to FIG. 2, which shows the section in the direction EF of FIG. 1).

Diese Vormagnetisierung wird durch ein Magnetfeld erzeugt, herrührend von einem permanenten Magneten. Die Feldstärke ist dabei so bemessen, dass das Feld kleiner ist als es zur gyromagnetischen Resonanz erforderlich ist.This bias is generated by a magnetic field originating from a permanent magnet. The field strength is dimensioned so that the field is smaller than it is necessary for gyromagnetic resonance.

Die Eigenschaften der die Phasendrehung bewirkenden Ferrite ändern sich dahingehend, dass in der Richtung, in der die grössere Phasendrehung erzeugt wird, mit wachsender Hochfrequenzleistung von einem bestimmten Leistungsbetrag an die Durchlassdämpfung zunimmt. Diese Vergrösserung der Durchlassdämpfung wird durch die Anregung von Spin-Wellen im Ferritmaterial verursacht. In entgegengesetzter Fortpflanzungsrichtung der Welle wird die Dämpfung nur von den dielektrischen Verlusten und der Leitungsdämpfung bestimmt.Change the properties of the ferrites causing the phase rotation to the effect that in the direction in which the greater phase rotation is generated becomes, with increasing high frequency power from a certain amount of power the transmission loss increases. This increase in transmission loss is achieved by causing the excitation of spin waves in the ferrite material. In opposite In the direction of propagation of the wave, the attenuation is only due to the dielectric losses and the line attenuation is determined.

In einem Phasenschieberzirkulator gemäss der Fig. l erzeugt also in einer Fortpflanzungsrichtung nur jeweils ein Phasenschieber die nichtreziproke Phasenverschiebung um 90°, und nur in diesem wird mit steigender Leistung die Durchlassdämpfung vergrössert.In a phase shifter circulator according to FIG only one phase shifter in each direction of propagation, the non-reciprocal phase shift by 90 °, and only in this the transmission attenuation increases with increasing power enlarged.

In dem vorliegenden Anwendungsfall dieses Phasenschieberzirkulators geht die hohe Leistung nur in einer Richtung, und zwar vom Eingang l nach Ausgang 2 (5 MW Impulsleistung in einem Frequenzbereich von 1,25 - l,35 GHz). In entgegengesetzter Richtung, also vom Ausgang 2 nach Ausgang 3 zum Empfänger wird nur eine kleine Leistung übertragen.In the present application, this phase shift circulator the high power only goes in one direction, namely from input 1 to output 2 (5 MW pulse power in a frequency range of 1.25 - l, 35 GHz). In opposite Direction, i.e. from output 2 to output 3 to the receiver, there is only a small amount of power transfer.

Die gesamte Durchlassdämpfung dieser Anordnung darf einen bestimmten Wert nicht überschreiten, etwa 0,6 dB. Dieser Dämpfungswert ergibt sich etwa aus dem arithmatischen Mittel der Einzeldämpfungen der beiden Zweige (Hohlleiter I und II).The total transmission loss of this arrangement may be a certain Do not exceed the value, about 0.6 dB. This damping value results approximately from the arithmatic mean of the individual attenuation of the two branches (waveguides I and II).

Für einen nichtreziproken Phasenschieber stehen prinzipiell drei Gruppen von Mikrowellenferriten zur Auswahl zur Verfügung.There are basically three groups for a non-reciprocal phase shifter of microwave ferrite available to choose from.

In der Fig. 3 sind die entsprechenden Ferritmaterialien in ihren Diagrammen dargestellt. Hier ist die Durchlassdämpfung über der von dem Phasenschieberzirkulator übertragenen Leistung dargestellt.In Fig. 3 the corresponding ferrite materials are in their diagrams shown. Here the transmission loss is above that from the phase shift circulator transferred power shown.

Spinellferrite (Kurve I) scheiden für die Verwendung in dieser Anordnung aus, da sie sich bei der notwendigen Sättigungsmagnetisierung von etwa 450 Gauss nicht mehr mit den erforderlichen Eigenschaften herstellen lassen. Gefordert sind geringe Temperaturabhängigkeit der Sättigungsmagnetisierung und kleine Verluste des Materials an sich.Spinel ferrites (curve I) are discarded for use in this arrangement because they are at the necessary saturation magnetization of about 450 Gauss can no longer be manufactured with the required properties. Are required low Temperature dependence of the saturation magnetization and small losses of the material itself.

Verwendbar dagegen sind Ferrite aus Yttrium-Eisen-Granaten oder solche mit geringem Dysprosium-Gehalt (vergleiche die Kurven II der Fig. 3). Für grosse Leistungen eignen sie sich als Phasenschieber im Hohlleiter I noch nicht, weil sie bei dieser hohen Leistung eine zu grosse Durchlassdämpfung aufweisen, die bei etwa 1,3 - 1,5 dB liegt. Dagegen im Hohlleiter II bei geringer Leistung haben sie nur eine kleine Durchlassdämpfung, die bei etwa 0,2 - 0,3 dB liegt.On the other hand, ferrites made from yttrium iron garnets or such can be used with a low dysprosium content (compare curves II in FIG. 3). For big Performances they are not yet suitable as phase shifters in the waveguide I because they at this high power have too great a transmission loss, which is at about 1.3 - 1.5 dB. In contrast, in the waveguide II at low power they only have a small transmission loss, which is around 0.2 - 0.3 dB.

Durch das Hinzufügen von Dysprosium kann man die Grenze des Dämpfungsanstieges bei wachsender Leistung hinausschieben und den Anstieg erst bei grösserer Leistung erfolgen lassen (siehe Fig. 3). Jedoch nimmt mit wachsendem Dysprosium-Zusatz wiederum die Durchlassdämpfung des Phasenschiebers zu.By adding dysprosium one can limit the attenuation increase postpone the increase in performance and the increase only in the case of greater performance let take place (see Fig. 3). However, with increasing dysprosium addition it again increases the transmission loss of the phase shifter increases.

Verwendet man für die Phasenschieber einen Granat mit einem grösseren Dysprosiumgehalt (Kurve III der Fig. 3), so ist die Durchlassdämpfung bei hoher Leistung zwar kleiner als mit der Ferritzusammensetzung der Kurve II (etwa zwischen 0,8 und l dB), aber die Durchlassdämpfung ist noch zu gross.If you use a garnet with a larger one for the phase shifter Dysprosium content (curve III in FIG. 3), the transmission attenuation is higher Performance is smaller than with the ferrite composition of curve II (approximately between 0.8 and 1 dB), but the transmission loss is still too great.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg zu finden, wie man die Durchlassdämpfung vermindert, um die Verlustleistung entsprechend klein zu halten.The object of the invention is to find a way how to reduce the transmission loss reduced by the power loss accordingly to keep it small.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in den beiden Phasenschiebern als Ferrite Yttrium-Eisen-Granate mit unterschiedlichem Dysprosium-Gehalt angeordnet sind. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass in dem in Fortpflanzungsrichtung der Welle auf den 3 dB-Koppler eine Phasendrehung um 900 bewirkenden Hohlleiter (I) ein Ferrit mit höherem (2,5%) Dysprosium-Gehalt als in dem in entgegengesetzter Richtung eine Phasendrehung um 900 bewirkenden Hohlleiter (II) (l,5 %) angeordnet ist.According to the invention, this object is achieved in that in the two Phase shifters as ferrites yttrium iron garnets with different dysprosium content are arranged. A further development of the invention is that in the in Direction of propagation of the wave on the 3 dB coupler a phase shift of 900 causing waveguide (I) a ferrite with a higher (2.5%) dysprosium content than in the waveguide which causes a phase rotation of 900 in the opposite direction (II) (1.5%) is arranged.

Mit dieser Erfindung ist es möglich, die gesamte Durchlassdämpfung auf ein zuverlässiges Mass von 0,5 - 0,6 dB zu vermindern.With this invention it is possible to reduce the total transmission loss to a reliable level of 0.5-0.6 dB.

Dadurch, dass man also in den Hohlleiter l mit Phasendrehungseigenschaften von 90° in Fortpflanzungsrichtung der grossen Leistung einen Ferrit aus einem Yttrium-Eisen-Granat mit etwa 2,5 % und in den Hohlleiter II mit Phasendrehungseigenschaften von 900 in Fortpflanzungsrichtung der kleinen Leistung einen Ferrit aus einem Yttrium-Eisen-Granat mit etwa 1,5 % einbringt, erreicht man in Übertragungsrichtung der grossen Leistung eine Durchlassdämpfung zwischen 0,5 - 0,6 dB und in Übertragungsrichtung der kleinen Leistung eine Durchlassdämpfung von etwa 0,4 dB.In that one is thus in the waveguide l with phase rotation properties of 90 ° in the direction of propagation of the great power a ferrite from an yttrium iron garnet with about 2.5% and in the waveguide II with phase rotation properties of 900 in the direction of propagation of the small power, a ferrite made from an yttrium iron garnet brings in about 1.5%, the high output is achieved in the direction of transmission a transmission loss between 0.5 - 0.6 dB and in the direction of transmission the small Performance has a transmission loss of about 0.4 dB.

Claims

1. Phase shifter circulator for extremely high pulse power, consisting from a 3 dB coupler, a magic T and two side by side, non-reciprocal ones and 900 phase shifters acting in the opposite direction, their non-reciprocal Phase shift by attached outside the center of the respective waveguide and pre-magnetized ferrite strips, characterized in that in the two phase shifters (I, II) as ferrites yttrium iron garnets with different Dysprosium content are arranged.

2. phase shifter circulator according to claim 1, characterized marked-eichnet, that in the direction of propagation of the wave on the 3 dB coupler (K) a phase shift around 900 causing the waveguide (I) a ferrite with a higher dysprosium content than in the waveguide which causes a phase rotation of 900 in the opposite direction (II) is arranged.

3. phase shifter circulator according to claim 2, characterized in that that in the waveguide (I) a ferrite with about 2.5% dysprosium content and in the Waveguide (II) a ferrite with about 1.5% dysprosium content is used.