DE2440484C2

DE2440484C2 - Elektromagnet- oder Dauermagnetsystem

Info

Publication number: DE2440484C2
Application number: DE19742440484
Authority: DE
Inventors: Peter 2000 Hamburg Röschmann
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1974-08-23
Filing date: 1974-08-23
Publication date: 1982-12-30
Also published as: GB1524835A; FR2282704A1; FR2282704B3; DE2440484A1; SE7509304L; JPS6027202B2; IT1041896B; JPS5149653A; SE411976B

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektromagnet- oder Dauermagnetsystem mit einem von parallelen Polflächen begrenzten Luftspalt, insbesondere zur einstellbaren Vormagnetisierung und Abstimmung von im Luftspalt angeordneten magnetischen Anordnungen, die Mikrowellenferrite, insbesondere Yttrium-Eisen-Granate, enthalten.

Ein derartiges Magnetsystem für die Abstimmung von Yttrium-Eisen-Granaten, allgemein kurz mit YIG bezeichnet, ist aus der Zeitschrift »Electronics« vom 29. Juni 1964, Seiten 74 bis 77 bekannt. Beim Zusammenwirken mehrerer abstimmbarer YIG-Elemente in einem System ist ein Gleichlauf der Abstimmkennlinien der verwendeten YIG-Filter und YIG-Oszillatoren erforderlich.

Ein solcher Gleichlauf kann bei YIG-Komponenten, die einen typischen Wert der Linearitätsabweichung von der idealen linearen Abstimmkurve von 0,1 % aufweisen, auch realisiert werden. Üblicherweise wird dabei für jedes YIG-Element ein getrenntes Elektromagnetsystem verwendet Dadurch entsteht ein erheblicher Aufwand, insbesondere durch die hohen Genauigkeitsanforderungen an die Steuerelektronik und durch die meßtechnisch schwierige Justierung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Magnetsystem der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem auf einfache Weise zwei oder mehrere Magnetfelder mit konstanter Feldstärkedifferenz erzeugbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man Luftspalt Polschuhe aus hochpermeablem Werkstoff angeordnet sind, wobei auf mindestens einem Teilbereich mindestens einer Polfläche jeweils eine Platte aus einem weichmagnetischen Werkstoff, dessen Sättigungsmagnetisierung niedriger als die kleinste erforderliehe Vormagnetisierung ist, derartig angebracht ist, daß im Luftspalt mindestens zwei Magnetfelder mit konstanter Feldstärkedifferenz erzeugbar sind.

Das Lösungsprinzip ist zwar unabhängig von der Anwendung für YIG-Elemente, eignet sich aber besonders gut dafür, da das erfindungsgemäße Magnetsystem zur gleichzeitigen Abstimmung von verschiedenen abstimmbaren YIG-Filtern und YIG-Oszillatoren dienen kann, wobei ei-ie konstante Frequenzdifferenz der Filtermittenfrequenz und der Oszillatorschwingfrequenz über den Abstimmbereich erzielt werden soll. Dies ist z.B. eine Systemforderung bei abstimmbaren Mikrowellenüberlagerungsempfängern mit einem YIG-Filter zur Eingangsselektion (Spiegelfrequenzunterdrückung).
Aus der AT-PS 226996 ist ein Magnetsystem zum Erzeugen variabler Magnetfelder in einem von parallelen Polflächen begrenzten Luftspalt bekannt, bei dem der Luftspalt Zonen mit unterschiedlicher Permeabilität aufweist, so daß im Luftspalt nebeneinander angeordnete magnetische Anordnungen unterschiedlichen Magnetfeldem ausgesetzt sind. Eine Erzeugung von Magnetfeldern mit konstanter Feldstärkedifferenz ist dabei nicht vorgesehen. Aus der FR-PS 910271 sind Magnetkerne für Hochfrequenzspulen mit einstellbarer Induktivität bekannt, bei denen die den Luftspalt begrenzenden Polflächen Stufen aufweisen, so daß bei Verdrehung der Kerne gegeneinander unterschiedliche magnetische Widerstände gebildet werden. Ferner ist es aus der DE-PS 965 725 und der DE-AN N4169 bekannt, in einem magnetischen Kreis die magnetische Feldstärke mit Hilfe eines variablen magnetischen Nebenschlusses bzw. durch teils kontinuierlich, teils stufenweise veränderbare Luftspaltlängen einzustellen. Auch hierbei ist die Erzeugung von Magnetfeldern mit konstanter Feldstärkedifferenz nicht beabsichtigt und nicht möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Magnetpolsystems,

F i g. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Polfläche, Fig. 3 eine Magnetfeldkurve mit einer Polfläche,
Fig. 4, Fig. 5a bis c, Fig. 6, Fig. 7a, b, Fig. 8a, b Abwandlungen des Magnetsystems in schematischen Seitenansichten bzw. Draufsichten.

Wenn in einem Teil des Lüftspaltvolumens des Magnetsystems zusätzlich ein ferrimagnetisches Material mit niedriger Sättigungsmagnetisierung eingefügt wird, muß

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die Sättigungsmagnetisierung M_s folgenden Beziehungen genügen:

- J mi

wobei }'=0,035MHz/A/m das¹ sog. gyromagnetische Verhältnis und f_mm die niedrigste Betrk-bsfrequenz der abzustimmenden YIG-Elemente ist Allgemein gilt also, daß die Sättigungsmagnetisierung kleiner als die niedrigste Arbeitsfeldstärke im Luftspalt sein muß, um das zusätzlich in de;. Luftspalt eingefügte Material magnetisch zu sättigen. Die niedrigste Betriebsfeldstärke ergibt sich bei Anwendungen für YIG-Elemente aus der bekannten Abstimmungsgleichung für die ferriraagnetische Resonanz/, in einer Kugel im Magnetfeld H₀ zu:

fr=yH_o (2)

Nach Erreichen der Materialsättigung trägt das zusätzlich in den Luftspalt eingefügte Material mit einem von der Magnetfeldstärke H₀ unabhängigem konstanten Betrag der Größe M_s zur Feldstärke im Luftspalt bei.

Bei der schematisch dargestellten Anordnung nach Fig. 1 wird zwischen den Polschuhen 2 und 2' des Magnetsystems, die aus einem Material mit hoher Permeabilität bestehen, auf einem Teilbereich einer Polfläche eine Materialplatte 1 aus einem Ferrimagnetikum mit niedrigem M_s angeordnet, so daß die von der Spule 3 erzeugte Durchflutung J ■ w im Luftspalt mit der Höhe L ein Magnetfeld H₀ erzeugt in der Größe von:

H =

J-w

Dabei ist vorausgesetzt, daß der magnetische Widerstand im Pol und Joch des Magnetsystems vernachlässigbar klein ist. Bezeichnet man als Hilfsgröße das Feld in der Materialplatte 1 mit H_M, so gelten unter Hinzunahme der Luftspaltinduktion B, die an den Grenzflächen stetig in Richtung zur Fiächennormalen sein muß, nach Erreichen der Sättigung in der Materialplatte 1 folgende Beziehungen (Fig. 1)

H₁ =Β/μο H_M = Β/μο- M,

■d=H-L

Aus (4), (5) und (6) ergibt sich die Beziehung:

wobei d die Dicke der Materialplatte 1 ist.

Gleichung (7) beschreibt die Abhängigkeit der FeW-stärkendifferenz (//, - H₀) von der Dimensionierung und vom Materialparameter M_s und zeigt zugleich, daß ihre Größe, wie gefordert, konstant bei Veränderungen von H₀ bleibt.

In einem Versuchsaufbau entsprechend Fig. 1 und Als zusätzlich in den Luftspalt einzufügendes Material eignen sich besonders Fenite aus der Gruppe der mit Gadolinium+Aluminium, Gadolinium, Dysprosium, Holmium substituierten Granate, die über einen größe ren Temperaturbereich zwischen —80 und + 100⁰C eine näherungsweise konstante Sättigungsmagnetisierung aufweisen und damit die bei technischen Anwendungen meist sehr wichtige Forderung nach Konstanz der Parameter, hier Feldstärke- bzw. Frequenzdifierenz in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, erfüllen. Zugleich ermöglicht diese Materialgruppe einen großen Spielraum in der Wahi der Größen aus Gleichung (1) und (7) und damit konstruktive Variationen bei der technischen Realisierung.

Eine wichtige Eigenschaft ist der Verlauf der Feldstärkekomponente in Z-Richtung in Abhängigkeit von der in Fig. 1 gezeigten A'-Richtung. Dieser Verlauf ist in Fig. 3 dargestellt. Durch eine Kerbe 4 im Polschuh 2 ist es möglich, die Steilheit der Flanke zwischen den beiden Plateaus der Feldstärken H₀ und H₁ zu erhöhen und damit den homogenen FeJdstärkenbereich zu vergrößern. Da YIG-Elemente ein homogenes Abstimmfeld in einem bestimmten Mindestflächenbereich benötigen, können durch die mit der Kerbe 4 erzielte Ausdehnung des Homogenitätsbereiches der Feldstärke H₀ und H₁ die Absolutabmessung des Polschuhs entsprechend verkleinert werden und die YIG-Elemente auch räumlich näher zueinander angeordnet werden.
Bei Anwendung des Erfindungsgegenstandes für eine Kombination eines abstimmbaren YIG-Filters mit einem abstimmbaren YIG-Oszillator muß u. U. eine besondere Eigenschaft von abstimmbaren YIG-Oszillatoren berücksichtigt werden. Diese zeigen je nach Schaltung und verwendeten Typen des aktiven Halbleiterbauelements (Transistor, Tunnelelement, Lawineneffektdiodej den Effekt, daß die Schwingfrequenz /„ im Abstimmbereich in bezug auf die Resonanzfrequenz /_r (Gleichung (2)) der YIG-Kugel von einer Lage etwas unterhalb bis etwas oberhalb von/_r wandert. Dies beruht

darauf, daß der Halbleiter im allgemeinen zusätzlich zum negativen H F-Widerstand eine frequenzabhängige Reaktanz aufweist und daß zur Ankopplung der YIG-Kugel Transformationsschaltungen verwendet werden, die frequenzabhängig in der Phase sind. Beides wird durch einen von der Resonanzfrequenz/ der YIG-Kugel abweichenden Arbeitspunkt auf der Resonanzkurve der YIG-Resonanz auskompensiert, so daß für den Oszillator bei den Schwingfrequenzen/,, die Summe des Blindwiderstandes Null wird. Dies kann bei einer YIG-Filter/ YIG-Oszillator-Kombination, die sich entweder im gleichen Magnetfeld oder in zwei benachbarten Magnetfeldern mit konstanter Feldstärkedifferenz befindet, zu einer proportional von der Schwingungsfrequenz abhängigen Frequenzdifferenz zwischen Oszillatorfrequenz /„

und Filtermittenrrequenz/_mi=/_r führen. Mit Hilfe einer kleinen Stufe 5 im hochpermeablen Polschuh 2, wie in Fig. 4 dargestellt, kann eine proportional von der Feldstärkedifferenz H₁ - H₀ abhängige Frequenzdifferenz erreicht werden, deren Größe sich aus einfachen linearen

Fig. 2 wurde mit einer halbkreisförmigen Materialplatte ⁶⁰ Beziehungen mit (2) berechnen läßt. Durch eine geeig-1 mit der Dicke d= 0,5 mm und einem M_s κ 4 ■ 10⁴A/m in ^nete Höhe der Stufe 5 läßt sich die oben beschriebene, zur einem Luftspalt mit der Höhe L = 3,5 mm über den Fre- Oszillatorfrequenz proportionale Frequenzdifferenz f -

quenzbereich zwischen 4 und 10 GHz eine Frequenzdifferenz/p von 195 bis 210 MHz gemessen, in guter Übereinstimmung mit dem in (2) und (7) berechneten Wert von:

■ Λ/,— = 0,035·

Lj

.-^so kompensieren, daß/,-/,, unabhängig von/_o wird. Einige schematische Abwandlungen sind in F i g. 5 a bis c dargestellt.

Bei größeren Beträgen der Feldstärkedifferenz wird nach Gleichung (7) insbesondere bei niedrigen Mikrowellenfrequenzen wegen der Bedingung (1) die Dicke d

'der Scheibe 1 sehr groß. Dann ist es zweckmäßig, die Materialplatte 1 entsprechend Fig. 6 in Γ und 1" aufzuteilen, um Feldinhomogenitäten im Übergangsbereich zwischen H₀ und H₁ möglichst klein zu halten.

Die bisherigen Ausführungen lassen sich sinngemäß auch zur Erzeugung von mehr als zwei Magnetfeldern mit jeweils konstanter Feldstärkedifferenz zueinander ausdehnen. Zwei schematische Anordnungen zur Erzeugung von drei verschiedenen Magnetfeldern mit konstanter Feldstärkedifferenz mit Materialplatten 1 und 6 aus Material mit verschiedenem M„ sind in Fig. 7a, b und IO

mit unterschiedlicher Dicke d und aus gleichem Material Γ und Y" in Fig. 8a, b dargestellt.

Weiterhin läßt sich das beschriebene Prinzip auch für Magnetsysteme mit permanentmagnetischer Erregung zur Erzeugung von zwei oder mehreren Magnetfeldern mit konstanter Feldstärkedifferenz anwenden. Mit Hilfe eines mechanisch verstellbaren »magnetischen Shunts« vorzugsweise im .Bereich des Permanentmagneten läßt sich auch in dieser Anordnung der Absolutwert der verschiedenen Feldstärken unter Beibehaltung der konstanten Feldstärkedifferenz variieren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromagnet- oder Dauermagnetsystem mit einem von parallelen Polflächen begrenzten Luftspalt, insbesondere zur einstellbaren Vormagnetisierung und Abstimmung von im Luftspalt angeordneten magnetischen Anordnungen, die Mikrowellenferrite, insbesondere Yttrium-Eisen-Granate, enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß am Luftspalt Polschuhe aus hochpermeablem Werkstoff angeordnet sind, wobei auf mindestens einem Teilbereich mindesttns einer Polfläche jeweils eine Platie aus einem weichmagnetischen Werkstoff, dessen Sättigungsmagnetisierung niedriger als die kleinste erforderliche Vormagnetisierung ist, derartig angebracht ist, daß im Luftspalt mindestens zwei Magnetfelder mit konstanter Feldstärkedifferenz erzeugbar sind.

2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf Teilbereichen mindestens einer Polfläche Platten mit unterschiedlicher Dicke angebracht sind.

3. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf Teilbereichen mindestens einer Polfläche Platten aus weichmagneiischen Werkstoffen mit unterschiedlicher Sättigungsmagnetisierung angebracht sind.

4. Magnetsystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische Werkstoff aus mit Gadolinium, Aluminium, Dysprosium, Holmium, substituiertem Yttrium-Eisen-Granat mit temperaturkompensierter Sältigungsmagnetisierung besteht.

5. Magnetsystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von mindestens zwei Magnetfeldern mit von der magnetischen Feldstärke abhängiger Feldstärkedifferenz mindestens eine Polfläche der hochpermeablen Polschuhe mit einer Stufe ausgebildet ist.

6. Magnetsystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen an den Grenzen der angebrachten Platten mit Kerben versehen sind.

7. Anwendung des Magnetsystems nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur magnetischen Abstimmung von Yltrium-Eisen-Granat enthaltenden Filtern und Oszillatoren.