DE2616698A1 - Monolithischer reziproker ferrit- sperr-phasenschieber - Google Patents

Description

IhrZeichen/Yourref. UnserZeichen/Our ref. U 307 Datum/Date \ 5, fl_prj|

United Technologies Corporation
Hartford, Connecticut O6IOI, V.St. A.

Monolithischer reziproker Ferrit-Sperr-Phasenschieber

Die Erfindung bezieht sich auf reziproke Ferrit-Sperr-Phasenschieber und insbesondere auf monolithische reziproke Ferrit-Sperr(latching)-Phasenschieber.

Bekanntlich finden Ferrit-Phasenschieber eine weit verbreitete Verwendung in elektronisch abgetasteten phasengesteuerten Antennenanordnungen aufgrund ihrer einzigartigen Fähigkeit, sowohl Spitzenleistungen als auch mittlere Energiepegel zu verarbeiten. In Anlagen mit getrennten elektronisch abgetasteten phasengesteuerten Antennenanordnungen für Sende- und Empfangszwecke, wie beispielsweise Radaranlagen mit bistatischer Betriebsweise, ist eine Phasenverschiebung der Welle in nur einer Richtung erforderlich, so daß nichtreziproke Ferrit-Phasenschieber mit Erfolg eingesetzt werden können. In Radaranlagen

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mit monostatischer Betriebsweise wird jedoch üblicherweise nur eine einzige elektronisch abgetastete Antenne sowohl für den Sende- als auch für den Empfangszweck eingesetzt. Die Verwendung von nichtreziproken Ferrit-Phasenschiebern in derartigen Radaranlagen mit monostatischer Betriebsweise würde aber ein Zurückstellen der Phasenschieber zwischen Sendung und Empfang erfordern, wodurch Schwierigkeiten bei kurzen Reichweiten und bei mit hohem Pulsfolgefrequenzen arbeitenden Torrichtungen auftreten. Das bedeutet, daß reziproke Ferrit-Phasenschieber geeigneter sind* reziproke Ferrit-Sperr-Phasenschieber sind an sich bekannt und beispielsweise in dem Artikel von CR. Boyd: "A Dual Mode Latching Reciprocal Ferrite Phase Shifter", erschienen in "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", Bd. MTT-I8, Nr. 12 (Dez. 1970), S. III9 - II24, beschrieben.

Einige der bekannten Phasenschieber bestehen aus verschiedenen Teilen, die mechanisch durch Verbinden oder Montieren zusammengebaut sind, wobei in einigen Fällen körperlich schlecht handhabbare Bauteile entstehen. Andere bekannte Phasenschieber wiederum erfordern komplizierte Herstellungsverfahren für die einzelnen Teile zur Erzielung der verschiedenartigen Funktionsweisen, wodurch hohe Herstellungskosten bedingt sind. Diese zwei Größen, nämlich Raumbedarf und hohe Kosten, sind von entscheidender Bedeutung bei der Entwicklung elektronisch abtastbarer phasengesteuerter Antennenanordnungen, die üblicherweise 1700 Bauelemente enthalten und deren jedes wellenleitendes Teil einen eigenen Phasenschieber aufweist.

Durch die Erfindung soll ein billiger,räumlich kleiner, reziproker Ferrit-Sperr-Phasenschieber geschaffen werden. Gemäß der Erfindung wird der reziproke Ferrit-Sperr-Phasenschieber monolithisch aus einem Ferritkörper derart hergestellt, daß der integrierte Aufbau ein Paar identische, nichtreziproke, faradaydrehende Teile (mit Spulen) aufweist, die einzeln an beiden Enden mit reziproken Zirkularpolarisat orteilen (Richtungsgabelteilen) verbunden sind, deren Zirkularpolarisationsrichtungen entgegengesetzt

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sind, so daß die aus Faradaydreher und reziprokem Zirkularpolarisator bestellende Anordnung ein nichtreziprokes Phasenschiebe rteil aufweist. Dabei sind die beiden nichtreziproken Ihasenschieberteile in paralleler Richtung durch mehrarmige Zirkula^-borteile (mit äußeren Permanentmagneten) an jedem Ende verbunden, wodurch ein gerichteter Durchlaß der elektromagnetischen Wellen durch ein ausgewähltes Paar nichtreziproker Phasenschieberteile in Abhängigkeit der Wellenausbreitungsrichtung erzielt wird.

Des weiteren weisen erfindungsgemäß die Zirkulatorteile einen Arm auf, der mit Viertelwellenlängen-Wellenwiderstandsanpassungs-Endteilen integriert ist, um eine Wellenwiderstandsanpassung zwischen dem Ferrit-Phasenschieber und dem Wellenfiihrungselement, beispielsweise einem Rechteck-Wellenleiter o.a., zu erzielen, wobei jedes dieser Viertelwellenlängen-Wellenwiderstandsanpassungs-Endtei? Ie energieabsorbierende Plättchen aufweist, die im Ferrit eingebettet sind und die linear-polarisierte HF-Energie in einer Richtung absorbieren, während sie die bevorzugte dazu senkrecht verlaufende Richtung mit minimaler Einfügungsdämpfung durchlassen.

Die nichtreziproken Phasenschieberteile sind jeweils mit einem Satz Spulen versehen, die an dem faradaydrehenden Teil angebracht oder um ihn herumgewickelt sind, wodurch mittels einer äußeren Energiequelle ein in der Intensität veränderliches Magnetfeld entlang der Achse des faradaydrehenden Teils erzeugt werden kann.

Der monolithische Aufbau aus Faradaydreher, reziproken Zirkularpolarisator und Zirkulatorteilen ergibt eine geschlossene magnetiscne Leiterbahn innerhalb der monolithischen Struktur, so daß äußere magnetische Jochanordnungen überflüssig sind und ermöglicht weiterhin, daß die gesamte Oberfläche der monolithischen Struktur metallisiert wird, um so einen Wellenleiter zu bilden. Diese metallische Oberfläche und das Fehlen des

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äußeren Jochs für den magnetischen Fluß ermöglicht das Führen der elektromagnetischen Wellen innerhalb der monolithischen Struktur, wodurch elektromagnetische Verluste vermieden werden, Wellendämpfungen verringertwerden und mögliche Sicherheitsrisiken ausgeschaltet werden.

Der monolithische reziproke Ferrit-Sperr-Phasenschieber der vorliegenden Erfindung weist symmetrische, geometrische Eigenschaften und kleine Abmessungen auf, wodurch der Phasenschieber in beliebiger horizontaler oder vertikaler Lage eingebaut werden kann. Außerdem kann die monolithische Phasenschieberanordnung durch ein Schmelz- und Heizverfahren hergestellt werden, das einfach ist, sich für die Serienfertigung eignet und daher geringe Fertigungskosten erfordert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Dabei zeigen:

Figur I eine leich-^eneigte perspektivische Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels,

Figur 2 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht der wesentlichen Teile des in Figur I gezeigten Ausführungsbeispiels,

Figur 3 eine perspektivische teilweise nach unten geneigte Endansicht des in Figur I gezeigten Ausführungsbeispiels,

Figur 4 ein schematisches Blockdiagramm des in Figur I gezeigten Ausführungsbeispiels,

Figur 5 eine Darstellung der momentanen elektrischen Feldstärkekomponenten einer linear polarisierten transversalen elektrischen Welle und

Figur 6 eine Darstellung der momentanen elektrischen Feldstärkekomponenten einer rechts-zirkular-polarisierten transversalen elektrischen Well«.

Der erfindungsgeaäße reziproke Ferrit-Sperr-Phasenschieber weist

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eine monolithische Festkörper-Ferrit-Struktur auf, deren äußere. Oberfläche metallisiert ist, um einenmit Ferrit ausgefüllten Wellenleiter zu bilden. Die funktioneilen G-esamteigenschaften des reziproken Ferrit-Sperr-Phasenschiebers werden durch die Kombination der einzelnen funktioneilen Teile bestimmt, wobei die Eigenschaften der Einzelteile an sich bekannt sind und ihr Zusammenwirken die an sich bekannte Gesamteigenschaft des reziproken Ferrit-Sperr-Phasenschiebers bildet. Die Einzelteile werden jedoch als integriertes unitäres Bauteil innerhalb der monolithischen Ferritfestkörper-Struktur ausgebildet.

Der geometrische Aufbau der erfindungsgemäßen monolithischen Struktur ist in perspektivischer Ansicht in Figur I dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die funktioneilen Gesamteigenschaften einschließlich der einzelnen Funktionsteile gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erzielung wählbarer reziproker Sperr-Phasenverzögerungen in einem Mikrowellen-Radarsystem, das mit einer elektronisch abgetasteten phasengesteuerten Antennendfbrdnung versehen ist, sind in der schematischen,die Funktionsweise zeigenden Figur 4 dargestellt.

In Fig. 4 ist ein Rechteckhohlleiter 10 mit geeignet gewählten Abmessungen für das Führen von TE,Q-Wellen, welche typische Betriebsfrequenzen im GHz-Bereich (8-12 GHz) haben, an einem Ende mit einer nicht dargestellten Signalsende- und -empfangsvorrichtung und am" anderen Ende mit dem reziproken Sperr-Phasenschieber 12 über ein Viertelwellenlängen-Anpassungsteil 14 verbunden, das in der Gesamtphasenschiebervorrichtung enthalten ist. Das Viertelwellenlängen-Anpassungenteil 14 ist mit einem Eingangstor 16 eines 3-Tor-Zirkulators18 verbunden und sorgt für eine Widerstandsanpassung zwischen dem Hohlleiter 10 und dem Ferritkern des Phasenschiebers 12. Das Tor 16 des Zirkulators 18 hat eine quadratische Form, mit Abmessungen, die üblicherweise gleich der kleineren Abmessung des rechteckigen Hohlleiters 10 sind. Der Zirkulator 18, dessen Eigenschaften an sich bekannt sind, hat

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ein statisches Magnetfeld ,dessen magnetische Feldstärke quer zur Ausbreitungsrichtung der vom Wellenleiter IO stammenden TE^q Welle gerichtet ist und parallel zum einfallenden elektrischen TE₁₀-FeId (senkrecht zur Zeichenebene in Figur 4) ist.Der Zirkulator 18 führt die Welle, wie es der Pfeil 19 andeutet, vom ersten Tor 16 zu einem zweiten Tor 20,das mit einem reziproken Zirkularpolarisator 22 verbunden ist.

Die Eigenschaften von Zirkularpolarisatoren sind ebenfalls bekannt und gleich denen von "Yiertelwellenlängenplättchen",wie sie in der Optik benutzt werden, um ehene Lichtwellen in zirkular-polarisierte Lichtwellen umzuwandeln. Der reziproke Zirkularpolarisator 22 wandelt die linear-polarisierte Welle in eine zirkular-polarisierte Welle um, deren Drehsinn in Wellenausbreitungsrichtung gesehen dem Uhrzeigersinn entspricht. Durch die Zirkularpolarisation der transversalen elektrischen Welle wird es ermöglicht, einen Faradaydreher mit einem variablen axialen magnetischen PeId als abstimmbaren Phasenschieber zu verwenden. Zur quantitativen Beschreibung der Arbeitsweise des Zirkularpolarisators wird die IE^₀ Welle am Tor 20 in zwei Teilwellen zerlegt, die orthogonal zueinander sind und einen Winkel von + 45° mit d
Figur 5a zeigt.

von + 45° mit der linear-polarisierten Welle bilden, wie es

In dieser Figur sind die Teilwellen mit Ε,.24 und Ep26 bezeichnet und durch Vektoren dargestellt, die die elektrische Feldstärke der Wellen zu einem bestimmten Zeitpunkt darstellen, wenn sich die Welle entlang der Z-Achse in der durch den Phasengeschwindigkeitsvektor V 27 bezeichneten Richtung ausbreitet. Die E^, E₂" Teilwellen 24, 26 befinden sich in Phase und die elektrische Feldstärke jeder Welle ändert sich sinusförmig, wie dargestellt. Durch schrittweise Vektoraddition der Teilwellen entlang der Z-Achse erhält man die in Figur 5b dargestellte resultierende Welüe E 28. Die resultierende Welle E 28 stellt die linearpolarisierte TE^q zu einem bestimmten Zeitpunkt dar, während sie entlang der Z-Achse in Richtung, des Phasengeschwindigkeitsvektors

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V 27 läuft. Die Wellenlänge λ der Ε-Welle ist gleich derjenigen der Teilwellen. Der Zirkularpolarisator 22 erzeugt die Zirkularpolarisation im Uhrzeigersinn der Ε-Welle durch Schaffung einer Phasenwinkeldifferenz zwischen den beiden Tcilwcllen, die durch die Zunahme der Wellenlänge der Teilwelle Ep innerhalb des Zirkularpolarisators hervorgerufen wird.

Während des Zeitraumes, in dem die Teilwellen den Zirkularpolarisator durchlaufen, nimmt die Wellenlänge der Teilwelle Ep 26 zu, wodurch eine Zunahme der Phasengeschwindigkeit (V ) dieser Teilwelle innerhalb des Zirkularpolarisators erfolgt. Die Zunahme der Phasengeschwindigkeit der Eg Teilwelle 26 erzeugt einen differentiellen Phasenwinkel zwischen den beiden Teilwellen, der nach Ausbreitung beider Teilwellen auf einer bestimmten Strecke innerhalb des Zirkularpolarisators dazu führt, daß die E₂ Teilwelle 26 der E, Teilwelle 24 um einen Phasenwinkel TT /2 vorauseilt, wenn die Teilwellen aus dem Zirkularpolarisator 22 austreten, wobei die Ep Teilwellenlänge an dieser Stelle wieder ihren ursprünglichen Wert annimmt.

Figur 6a zeigt dieses Vorauseilen der Teilwelle E₂ 26 um einen Phasenwinkel 1^/2 im Vergleich zur Welle E_x, 24 zu dem Zeitpunkt, zu dem beide Teilwellen aus dem Zirkularpolarisator austreten. Die Vektoraddition der elektrischen !Feldstärkevektoren der Teilwellen ergibt eine Ε-Welle, die in Welle nausbreitungsrichtung gesehen im Uhrzeigersinn um die Z-Achse rotiert, wie Figur 6b zeigt. Das resultierende rotierende E-FeId 30, von dem aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine beschränkte Anzahl elektrischer Feldstärkevektoren dargestellt ist, beschreibt eine 360° Drehung mit einer Winkelgeschwindigkeit (it> ), wenn sich die Welle um eine Wellenlänge (λ) entlang der Z-Achse ausbreitet. Die Drehung im Uhrzeigersinn der E Welle 30 ist unter der Bezeichnung Rechts-Zirkular-Polarisation (RZP) bekannt und, wie leicht gezeigt werden kann, erhält man eine Mnks-Zirkular-Polarisation (LZP), in^dem eine Zunahme der Wellenlänge der E^ Teilwelle 24 in Figur 5a erzeugt wird, wodurch das E^ Feld dem E₂ Feld um 1T/2 vorauseilt, so daß ^in entgegengesetzter Drehsinn erreicht wird.

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Wie Figur 4 weiter zeigt, durchsetzt die RZP-Welle <™s dem Zirkularpolarisator 22 einen Faradaydreher 32. Der an sich "bekannte Faradaydreher 32 erzeugt (in Abhängigkeit der geplanten Verwendung) den gewünschten Betrag der Phasenverschiebung der einfallen TE/if) Welle durch den Faradayeffekt, mit dem die Winkelgeschwindigkeit der RZP-Welle beeinflußt wird. Dies wird erreicht durch Erzeugung eines veränderlichen axialen magnetischen Feldes 34, das sich entlang der Achse der Wellenausbreitungsrichtung erstreckt und dessen Stärke durch einen Strom geregelt wird, der einen Satz Spulen 36 durchfließt, die mit einer gepulsten Spannungsquelle 38 verbunden sind. Nach dem bekannten Prinzip der Faradaydrehung bewirkt das axiale magnetische Feld (H, ) im Ferritkern verschiedene effektive Werte der Permeabilität /U-Vr₇-O, /Ut₁₇T₅, für die RZP- und LZP-Wellen, und zwar als Funktion

/ sxns: / ΧΐΔχ

/ sxns: / ΧΐΔχ go

des angelegten Magnetfeldrund der Eigenschaften des Ferritmaterials Daraus resultieren für die Wellen Phasenkonstanten

^=ω V£ /^URZP . /³LZP =ωγε /u_LZp innerhalb des Faradaydrehers 32, die von'der Phasenkonstanten der RZP-Welle innerhalb des Zirkularpolarisators 22 abweichen, wobei mit co die Winkelgeschwindigkeit der Welle und mit £ die absolute Dielektrizitätskonstante des Ferrits bezeichnet sind.

Die Größen der Phasenkonstanten ß> _Rzp und fi, _zp sind demzufolge der Größe des axialen Magnetfeldes direkt proportional. Bei der Fortpflanzung der RZP-Welle durch den Faradaydreher erzeugt der Unterschied der Phasenkonstanten eine Phasenverzögerung derart, daß sich für die Gesamtphasenverzögerung φ der RZP-Welle nach Durchlaufen der Länge L des Faradaydrehers /S χ L ergibt. Bei einer festgelegten Faradaydreherlänge L erzielt man einen gewünschten Wert der Phasenverzögerung der RZP-Welle durch Steuerung des Magnetfeldes H.. Üblicherweise ist die Länge L gleich einem ganzen Vielfachen der zur Betriebsfrequenz gehörenden Wellenlänge , jedoch wird die Länge L durch Wahl der Auslegung unter Berücksichtigung der Betriebswellenfrequenz, des Bereichs der magnetischen Feldstärken und des gewünschten Bereichs der Phasenverschiebungswerte festgelegt.

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Zuerst erzeugt ein Spannungsimpuls von der Quelle 38 einen Strom durch den Satz Spulen 36 , wodurch eine magnetische Sättigung des Ferritkerns des Faradaydrehers 32 erzeugt wird, der durch die B-H-Kurve der Vorrichtung festgelegt ist. Das Abschalten des Hr rege τ*· stromes nach einer bestimmten Zeit erzeugt eine Restmagnetisierungsflußdichte (B_R) innerhalb des Ferritkerns, deren Größe bekannt ist. Die Restmagnetisierungsflußdichte (B_R) erzeugt eine Phasenverzögerung der RZP-Welle durch das Prinzip der Faradaydrehung, wie es oben beschrieben wurde, und die als "Vergleichsphase der Einfügung" bekannt ist. Da der Wert von B_R bekannt ist, ist auch der Wert der Yergleichsphase der Einfügung, die ungefähr ΙΟ-mal so groß wie die gewünschte Phasenverschiebung ist, bekannt. Da das Vorhandensein einer Phasenverschiebung zwischen zwei Wellen durch die relative Phase jeder Welle bestimmt ist, bewirkt eine Anordnung, in der jede Welle die gleiche VergMehsphase der Einfügung erzeugt, eine Aufhebung dieser Größe. Eine wirksame Phasenverschiebung wird daher nur durch eine Modulation der Vergleichsphase der Einfügung der entsprechenden Welle erzielt.

Der Phasenschieber der vorliegenden Erfindung nutzt dieses Prinzip aus und erzeugt die bekannte Vergleichsphase der Einfügung und infolgedessen den bekannten Wert B_R als Vergleichswert, der einem Nullwert der Phasenverschiebung entspricht, wobei bekannte Werte von Δ H und Δβ verwendet werden, um neue Bezugswerte für die magnetische Flußdichte B^ zu erzielen, die ¹Hit dem gewünschten Wert der Phasenverschiebung der Welle korreliert sind. Durch Kontrolle der Amplitude und Zeitdauer der von der Spannungsquelle 38 gelieferten Spannungsimpulse ergibt sich aus der zugeführten Energie ein bekanntes Δ Η und aus der weiteren Kenntnis der speziellen B-H-Kurve für die Anordnung ist auch die neue Restmagnetisierung (B^ = B_R - ΔB) bekannt, die nach Abschalten des Spannungsimpulses entsteht. Der Ferritkern behält die neue Magnetisierung,nach^dem der Spannungsimpuls abgeschaltet ist, und der Faradaydreher 32 ist sozusagen gesperrt (latched). Der Faradaydreher 32 behält diese Magnetisierung solange, bis ein anderer Wert der Phasenverschiebung gewünscht ist, in welchem Fall

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die oben beschriebenen Schritte wiederholt werden, so daß eine neue Magnetisierung erzeugt wird und demzufolge ein neuer Wert der Phasenverschiebung.

Der Ausgang des Faradaydrehers 32 ist mit einem zweiten reziproken Zirkularpolarisator 40 verbunden, der die RZP-Welle in eine linear-polarisierte Welle umwandelt, und zwar in ähnlicher Weise wie dieses ein Analysator in der Optik macht, der polarisierte Lichtwellen in ebene Lichtwellen umwandelt. Der Zirkularpolarisator 40 führt die phasenverschobene linear-polarisierte Welle einem Tor 50 eines zweiten Zirkulators 52 zu, der mit dem Zirkulator 18 identisch ist und der die Welle einem zweiten Tor 54 gerichtet zuführt. Die Welle am Tor 54 durchläuft ein zweites Viertelwellenlängen-Anpassungsteil 56 in Richtung eines zweiten Rechteck-Hohlleiters 58, in dem eines einer Vielzahl von Elementen einer phasengesteuerten Antennenaordnung enthalten sein kann. Die relative Phasenverzögerung zwischen der Vielzahl ausgesandter Wellen bestimmt die Winkelverschiebung der zusammengesetzten Wellenfront der phasengesteuerten Antennenanordnung aus der wahren Antennenpeilung.

Die vom Zielobjekt reflektierten Wellen werden von der Antenne empfangen und durch den Wellenleiter 58 sowie das Viertelwellenlängen-Teil 56 zum Tor 54 des Zirkulators 52 geleitet, der diese reflektierten Wellen seinem dritten Tor 60 gerichtet zuführt. Die refleküerte Welle am Tor 60 ist eine TE^₀ Welle, die gegenüber der ursprünglich ausgesandten TE^q Welle um einen Betrag phasenverschoben ist, der ungefähr gleich dem durch den Faradaydreher 32 hervorgerufenen Betrag der Phasenverschiebung ist. Die reflektierte Welle wir_d einem dritten reziproken Zirkularpolarisator 62 zugeführt, der die Welle in eine RZP-Welle umwandelt und diese einem zweiten Faradaydreher 64 zuführt. Der Faradaydreher 64 ist mit dem Dreher 32 identisch und erzeugt in der oben beschriebenen Weise eine Phasenverzögerung in der zurückkehrenden Welle, die gleich derjenigen der ausgesandten Welle ist. Der Faradaydreher 64 ist mit einem vierten reziproken Zirkularpolarisator 66 verbunden,

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der ähnlich wie der Zirkularpolarisator 40 als Analysator wirkt und aus der phasenverschobenen RZP-Welle eine phasenverschobene linearpolarisierte Welle macht, so daß die relative Phasenverzögerung zwischen der Vielzahl von, von der phasengesteuerten Antenne empfangenen Rückkehrsignalen, die alle durch mehrere Phasenschieber, von denen einer oben beschrieben ist, selektiv phasenverschoben sind, ungefähr gleich Null ist, wodurch die Winkelverschiebung der zusammengesetzten zurückkehrenden Wellenfront auf Null verringert wird. Die linear-polarisierte zurückkehrende Welle wird einem dritten Tor 68 des Zirkulators 18 zugeführt, der die Welle gerichtet seinem Tor 16 und über das Anpassungsteil 14 dem Wellenleiter 10 zuführt, wo sie von einer geeigneten Empfangsvorrichtung empfangen wird.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des reziproken Ferrit-Sperr-Phasenschiebers gemäß der Erfindung dargestellt. Das monolithische Ferrit-Gebilde 70 mit bestimmten geometrischen Eigenschaften ist symmetrisch aufgebaut, so daß die Endteile identische geometrische Eigenschaften aufweisen bezüglich einer sich senkrecht zu den Endquerschnitten erstreckenden Linie, so daß bei Drehung des monolithischen'Gebildes 70 um 180° in der senkrechten Ebene oder um 180° in der waagerechten Ebene ein geometrisches Profil erzeugt wird, das mit dem dargestellten Profil identisch ist. Die Mitte des Gebildes wird durch einen Luftspalt, der durch eine schlitzförmige rechteckige Aussparung 71 gebildet wird, die sich durch die vertikale Mitte des Ferrit-Gebildes 70 erstreckt, in zwei getrennte Ferritkörperteile unterteilt. Das monolithische Gebilde 70 ist an beiden Enden mit Rechteck-Wellenleitern 72, 74 verbunden, deren innere Abmessungen mit A, B bezeichnet sind, wobei A größer ist. Die Abmessungen A, B des Wellenleiters und demzufolge die Abmessungen des monolithischen Gebildes 70 werden üblicherweise so gewählt, daß TE.. Q-WeIlen übertragen werden, mit Betriebsfrequenzen im GHz-Bereich (8-12 GHz). Unter Beachtung der Kriterien für eine geeignete Auslegung können jedoch diese Größen dahin geändert werden, daß TE _{1 n}-WeIlen mit Betriebsfrequenzen im Bereich von 2-100 GHz übertragen werden können.

Das Gebilde 70 ist mit den Wellenleitern 72,74 durch den Abschnitt

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.seines Hndtcils verbunden, welcher die Vierteilwellenlängen-Anpassungsteile 76, 78 aufweist. Diese Viertelwellenlängenanpassungsteile 76, 78 bewirken eine Wellenanpassung zwischen den Hohlleitern 72, 74 und dem monolithischen Ferrit-Geb i lde 70 und bestehen aus Ferritkörperteilen, die ein integraler Teil des Gebildes 70 sind. Die Anpassungsteile, deren Horizontalabmessung üblicherweise gleich B des Wellenleiters ist, erstrecken sich in die Wellenleiter 72, 74 in einer Ebene, die parallel zur Horizontalabmessung B des Wellenleiters verläuft und sind mit dem Wellenleiter auf geeignete Art verbunden. Die Vertikalabmessungen der Anpassungsteile 76, 78 sind veränderlich und hängen von den charakteristischen Wellenwiderständen sowohl der Wellenleiter als auchdes l-'erri t-Gebi ldes 70 für jede gegebene Bet ri ebs f requenzen ab und werden so gewählt, daß sie die folgende Bedingung erfüllen:

^ZM ⁼y ²WG- ^X ferrit'
wobei Z_M die Impedanz der Viertelwellenlängenteile 76, 78,

die Impedanz der Wellenleiter 72, 74 und ^zj>_erri_t die Impedanz des monolithischen Ferrit-Gebildes 70 ist.

Mit Ausnahme der Anpassungsteile 76, 78 ist die gesamte Oberfläche des monolithischen Ferrit-Gebildes 70 metallisiert, so daß das Gebilde 70 als Wellenleiter wirkt und eine Streuung der elektromagnetischen Wellen verhindert, die sonst eine Dämpfung der Welle durch das Phasenschiebergebilde verursachen würde, und ein Sicherheitsrisiko beseitigt. Die Metallisierung des Gebildes 70 kann beispielsweise durch Elektroplattieren oder einen ähnlichen Prozeß erfolgen und erzeugt üblicherweise aufeinanderfolgende Schichten verschiedener Elemente mit den folgenden ungefähren Konzentrationen:

Eine erste Schicht von 100 Angström (IO mn) Chrom zur Erzeugung einer Haftfähigkeit, eine zweite Schicht von 25 Mikroinches (635 mn) Kupfer zur Erzeugung der Leitfähigkeit für die lirregerströme und 5 Mikroinches (127 nm) Gold, um ein Oxydieren der elektrisch leitenden Schicht zu verhindern. Die Viertelwellenlängen-Anpassungsteile 76, 78 werden während der Metallisierung des Gebildes 70 entsprechend abgedeckt, um ihre Oberflächen frei-

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zuhalten.

Figur 2 zeigt eine perspektivische auscinandergczogcne Toi hinsieht der Hauptteile des monolithischen Gebildes 70 von Figur I. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus der Struktur 70, wie sie oben beschrieben ist, ist nur eine beschränkte Anzahl Bauteile in F^gur 2 dargestellt. Das Anpassungsteil 76 ist mit einem Zirkulatorteil 80 mit drei Toren 82 - 84 verbunden. Die Abmessungen der drei Tore 82 — 84 sind identisch· Sie haben jeweils eine quadratische Form mit einer Abmessung, die üblicherweise gleich der B-Abmessung des Wellenleiters ist,und sind um 120° versetzt zueinander angeordnet , so daß die Verlängerung der drei Oberflächen ein gleichseitiges Dreieck bildet. Zwei kreisförmige Magnete sind auf jeder Seite des Zirkulators 80 auf dem Ferritkörper angeordnet,und zwar im ungefähren geometrischen Mittelpunkt des gleichseitigen Dreiecks. Der kreisförmige Magnet 85 zusammen mit dem kreisförmigen Magneten 86, der auf der gegenüberliegenden Seite des Zirkulators angeordnet ist (wie es perspektivisch Figur 3 zeigt),erzeugt ein statisches Magnetfeld 87 innerhalb des Zirkulators 80, wobei die magnetische Feldstärke längs einer Achse quer zur Wellenausbreitungsrichtung gerichtet ist.

Bekanntlich bestimmt die Richtung der magnetischen Feldstärke die Ausbreitungsrichtung der Wellen durch den Zirkulator derart, d£ für die durch den Pfeil 87 dargestellt Richtung des Magnetfeldes die Ausbreitung vom Tor 82 aus gesehen im Uhrzeigersinn erfolgt. Dadurch gelangen einfallende Wellen vom Tor 82 zum Tor 84 und einfallende Wellen vom Tor 83 zumTor 82. Der Viertelwellenlängen-Anpassungsteil 76 ist in der Mitte des Tores 82 vertikal angeordnet, während ein energieabsorbierendes Widerstandsplättchen ob in das Anpassungsteil 76 und das Tor 82 in der Mitte der horizontalen B Abmessung eingebettet ist. Das energieabsorbierende Widerstandsplättchen 88 dient als Widerstand für die Dämpfung derjenigen Wellenkomponenten, die senkrecht zur Richtung der TE^j₀ Welle verlaufen (d.h. von TE_Q/j Wellen, die parallel zum Plättchen 88 verlaufen) und die in der einfallenden Welle aufgrund von Unregelmäßigkeiten an der Verbindungsstelle des Wellenleiters

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72 mit dem Ferrit-Gebilde 70 entstehen können.

Das Tor 84 des Zirkulators 80 ist mit einem reziproken Zirkular- polarisatorteil 90 verbunden. Der Zirkularpolarisator 90 hat ein erstes Tor 92 ,das eine quadratische Form hat, deren Abmessung üb 1 icherweise gleich der Abmessung B des Tores 84 ist, und das an das Tor 84 angrenzt und mit ihm in einer Linie liegt. Der Zirkularpolarisator 90 weist ein zweites Tor auf, dessen untere Querabmessung sowie dessen hintere senkrechte Abmessung gleich B ist, dessen vordere senkrechte Abmessung und dessen obere Querabmessung durch einen schrägen ebenen Schnitt auf ein Maß kleiner B verkürzt sind. Die waagrechte Ausdehnung des ebenen Querschnitts 94 und der Abschrägungsgrad tiängen von der Funktionsweise des Zirkularpolarisators und von der Betriebsfrequenz der TE^₀-WeIIe ab,wie im folgenden näher beschrieben. Has Tor 94 des Zirkularpolarisators 90 ist benachbart zu und in einer i in ie mit einem ersten Tor 98 eines faradaydrchenden Teiles TOO aigeordnet. !»as For 98 und der Körper des Faradaydrehers 100 weisen einen quadratischen Querschnitt auf, dessen Abmessung gleich B ist.Auf den Faradaydreher 100 ist eine Drahtanordnung 102 gewickelt, die auch in geeigneter anderer Weise aufgebracht sein kann, und zwar über die gesamte Länge des Abschnitts des Drehers 100. Diese Wicklungsanordnung 102 durchläuft der Iirregcrstrom, der von einer äußeren gepulsten Spannungsquelle stammt, um das axiale Magnetfeld innerhalb des faradaydrehenden Teils zu erzeugen, durch das, wie oben beschrieben, die Phasenverschiebung der Welle erzeugt wird.

Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht (leicht nach unten geneigt) des linken Endes des in Figur I dargestellten monolithischen Ferrit-Gebildes 70. In dieser Figur ist das Anpassungsteil 76 senkrecht und mittig am Arm 82 des Zirkulators SO angeordnet, an dem die kreisförmigen Magnete 85, 86 an beiden Seiten vorgesehen sind. Der Zirkularpolarisator 90 und sein ebener Teil 94 sind im oberen Teil des Endabschnitts dargestellt. Ein symmetrisch ausgestalteter unterer Teil ist mit einem (in Fig.2 nicht dargestellten) Zirkularpolarisator 104 versehen, der am Tor 83 des

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Zirkulators 80 von Fig. 2 angeordnet ist und dessen Querschnitt durch eine Ebene 106 abgeschrägt ist, die diagonal gegenüberliegend und parallel zu dem ebenen Abschnitt 94 des Zirkulators 90 verläuft.

In Fig. 1 ist ein weiteres mit dem faradaydrehenden Teil 100 identisches faradaydrehendes Teil 108 dargestellt, dessen Wicklungsanordnung 110 in gleicher Weise auf seiner gesamten Länge angeordnet ist, um, wie oben beschrieben, den Erregerstrom zuzuführen. Die beiden faradaydrehenden Teile bilden zusammen mit dem reziproken Zirkularpolarisator und den Zirkulatorteilen einen durchgehenden Weg innerhalb des monolithischen Ferrit-Gebildes 70 für die innerhalb der faradaydrehenden Teile 100, 108 erzeugten axialen Magnetfelder. Diese beiden axialen Magnetfelder verlaufen in der gleichen Richtung entlang dem in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie 112 gezeigten Weg. Durch das Schaffen eines geschlossenen Weges für das magnetische Feld beider Dreher innerhalb des Gebildes 70 wird das Erfordernis von Jochanordnungen außerhalb des Gebildes 70 zum Schließen des magnetischen Weges zusammen mit der Möglichkeit einer Streuung elektromagnetischer Wellen beseitigt, mit dem Ergebnis, daß die elektromagnetischen Wellen innerhalb der metallisierten Grenzen des Gebildes 70 enthalten sind, wodurch ein sicherer Betrieb gewährleistet wird und eine Dämpfung durch Streuung vermieden wird. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus des monolithischen Ferrit-Gebildes 70 haben das Viertelwellenlängen-Anpassungsteil 76, der Zirkulator 80 und der Zirkularpolarisator 90 identische Gegenstücke 78 bzw. 114 bzw. 116 an den entgegengesetzten Enden des Gebildes 70. Wie oben bereits ausgeführt, erzeugt eine Drehung des Gebildes 70 um 180° in der Vertikalebene eine mit der in Fig. 1 gezeigten Konfiguration identische geometrische Konfiguration für die untere Hälfte des Gebildes.

Während des Betriebes wird eine TE_1f)-Welle, die sich im Wellenleiter 72 in einer Ebene parallel zur B-Abmessung ausbreitet, wie es der E-Vektor 118 in Fig. 1 zeigt, vom Viertelwellenlängen-Anpassungsteil 76 empfangen, wobei alle orthogonalen Komponenten der TEnQ-WeIIe durch das energieabsorbierende Plättchen 88 gedämpft werden. Wie im Zusammenhang mit Figur 4 bereits ausgeführt wurde,

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wird die linear-polarisierte Welle durch den Zirkulator 80 zum reziproken Zirkularpolarisator 90 geleitet. Die linear-polarisierte Welle E kann in ihre orthogonalen Teilwellen E _Λ ,E₂ zerlegt werden, wie es in Figur 5a dargestellt ist. Die Ebene 94 des Zirkularpolarisators 90 schrägt den quadratischen Querschnitt der Abmessung B derart ab, daß der diagonale Querschnitt des Zirkularpolarisators 90,der senkrecht zur Fläche des ebenen Abschnittes 94 ist, eine Abmessung kleiner B aufweist.. Die elektrische Feldstärke der Teilwelle E₂ der Welle E verläuft in einer zu dieser verkleinerten Diagonalabmessung senkrechten Ebene. Das bedeutet, daß die Wellenlänge der Teilwelle E₂ innerhalb des Abschnitts mit dem abgeschrägten Querschnitt zunimmt, wodurch eine vergrößerte Phasengeschwindigkeit für die Teilwelle E₂ entsteht, so daß nach Durchlaufen der Länge des abgeschrägten Abschnitts ein differentieller Phasenwinkel von TT/2 zwischen den beiden Teilwellen besteht, wie es Figur 6a zeigt. Dadurch entsteht, wie bereits ausgeführt, eine in Figur 6b dargestellte RZP-Welle. Die Erzeugung des differentiellen Phasenwinkels ΤΓ/2 hängt sowohl vom Abschrägungsgrad des quadratischen Querschnitts (B) als auch von der Länge des abgeschrägten Abschnitts in Richtung der Wellenausbreitung ab. Die Werte dieser Parameter sind unter Beachtung der Betriebsfrequenz der linear-polarisierten Welle und eines möglichst vereinfachten Herstellungsverfahrens zu wählen. Ist der Abschrägungsgrad (d.h. der Verkleinerungsgrad der Diagonalabmessung) und die resultierende vergrößerte Wellenlänge der Teilwelle E₂ gegeben, so kann die Länge der Abschrägungsebene durch folgenden Ausdruck bestimmt werden:

wobei θ gleich dem gewünschten Phasenwinkel ΤΓ/2 ist, D die Länge der Abschrägungs-Ebene ist und A_E , /\ _E die Wellenlängen der Teilwellen B_-. , Bg innerhalb des Zirkularpolarisators 90 darstellen.

Die RZP-Welle vom Zirkularpolarisator 90 tritt in das faradaydrehende Teil 100 ein, in dem,vie bereits oben ausgeführt, der

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Grad der gewünschten Phasenverzögerung durch die Verwendung des Prinzips der Faradaydrehung erzeugt wird. Die modifizierte RZP-WeIIe aus dem Faradaydreher 100 gelangt in den reziproken Zirkularpolarisator 116, der als Analysator dient, um die modifizierte RZP-Welle in eine phasenverschobene linear-polarisierte Welle umzuwandeln, wie oben ausgeführt. Die Umwandlung der modifizierten RZP-Welle in eine linear-polarisierte Welle durch den Zirkularpolarisator 116 erfolgt durch Eliminieren des differentiellen Phasenwinkels V /2 zwischen den Teilwellen E^ und E2. Dies wird erreicht durch eine Zunahme der Wellenlänge der E^ Teilwelle innerhalb des Zirkularpolarisators 116, dessen Diagonalabmessung, die senkrecht zu der verkleinerten Diagonalabmessung des Zirkularpolarisators 100 verläuft, auf gleiche Weise durch eine Abschrägungs· fläche 122 (Figur I) verkleinert ist.

Die verkleinerte Diagonalabmessung des Zirkularpolarisators 116 ist diejenige, die senkrecht zur elektrischen Feldstärke der Teilwelle E₄ verläuft und die eine Zunahme der Wellenlänge und der Phasengeschwindigkeit der Teilwelle E^ erzeugt und damit die Eliminierung des differentiellen Phasenwinkels It /2 bewirkt. Die phasenverschobene linear-polarisierte Welle vom Zirkularpolarisator 116 wird durch den Zirkulator 114 in das Viertelwellenlängen-Anpassungsteil 78 zum Wellenleiter 74 geführt, in dem eines von mehreren Elementen der phasengesteuerten Antennenanordnung enthalten sein kann. Die vom Wellenleiter 74 empfangenen zurückkehrenden Radarsignale werden auf gleiche Art und Weise durchden unteren Teil des monolithischen Ferrit-Gebildes 70 verarbeitet, welches den faradaydrehenden Teil 108 enthält, der einen reziproken Betrieb des Phasenschiebers ermöglicht.

Die Gesamtabmessungen der monolithischen Struktur 70 sind, wie oben dargelegt, abhängig von der Betriebs frequenz der TE₁₀-Welle. Für eine bekannte Betriebsfrequenz können ungefähre Werte angegeben werden. Deshalb sei. angenommen, daß die linearpolarisierte TE^₀ Welle in der Mitte des GHz-Bereiches bei IO GHz arbeitet. Das monolithische Ferrit-Gebilde 70enthält einen Ferrit

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mit einer üblichen Dielektrizitätskonstanten von 16, einem typischen Sättigungsmagnetisierungswert von 2500 G-auß (0,25 Weber pro Quadratmeter) und einer Restmagnetisierung von 1600 Gauß· (0,16 Weber pro Quadratmeter). Die Abmessungen der Rechteck-Wellenleiter 72, 74 können A = 0,9 inches (2,29 cm) und B = 0,25 inches (0,635 cm) betragen, wobei die quadratischen Abmessungen B der Struktur 70 ebenfalls 0,25 inches (0,635 cm) betragen. Die Wicklungen 102, HO der Faradaydreher 100, 108 weisen ungefähr 25 - 30 Windungen für den oben beschriebenen Ferrit auf. Die Gesamtlänge der Struktur 70 beträgt ungefähr 2,0 inches (5_?08 cm), wobei die länge der faradaydrehenden Teile 100, 108 ungefähr gleich 1 inch (2,54 cm) beträgt.

Die monolithische Struktur des reziproken Ferrit-Sperr-Phasenschiebers der vorliegenden Erfindung kann durch einen Prozeß des Preßformens von pulverisiertem Ferrit-Material mit einem geeigneten Bindemittel erfolgen, und zwar in einerJForm, deren Abmessungen größer als diejenigen der gewünschten geometrischen Abmessungen des endgültigen Gebildes sind, um so zu erwartenden Schrumpfungen während des Heizprozesses Rechnung zu tragen, und mit anschließendem Aufheizen des preßgeformten Gebildes bei einer erhöhten Temperatur von ungefähr 1400° C für einen Zeitraum,der von der Größe des herzustellenden Gebildes abhängt. Dieses Herstellungsverfahren eignet sich für die Großserienfertigung mit entsprechend geringen Kosten. Eine andere, aber teurere Methode der Herstellung der monolithischen Struktur, die für kleinere Mengen geeignet ist, kann darin bestehen, die geometrische Form des Phasenschiebers aus einem Stück Ferrit-Material herauszuarbeiten. Während sich das erstere Verfahren für große Mengen und billige Herstellung eignet, kann das letztere dann vorzuziehen sein, wenn beschränkte Mengen oder Prototypen hergestellt werden sollen. Desgleichen kann auch jede geeignete Kombination der beiden Herstellungsverfahren angewandt werden.

Der erfindungsgemäße monolithische reziproke Ferrit-Sperr-Phasenschieber zeichnet sich sowohl durch geringe körperliche Größe als auch durch niedrige Herstellungskosten aus und ist in besonderer

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Weise für phasengesteuerte Antennenanlage!! geeignet, die üblicherweise 1700 Elemente aufweisen, wobei jedes der 1700 Elemente der Antennenanordnung ein einstellbares phasenverzögertes Signal benötigt. Außerdem kann der erfindungsgemäße Phasenschieber unbegrenzte Anwendung auf dem Gebiet der Mikrowellenübertragung finden, wobekanntlich Phasenverschiebungen erforderlich sein können, beispielsweise in Amplituden- oder Phasenmodulatoren·

Obwohl die Erfindung nur im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, bietet sich im Rahmen der Erfindung dem Fachmann über das bevorzugte Ausführungsbeispiel hinaus eine Vielzahl von Vereinfachungs- und Verbesserungsmöglichkeiten hinsichtlich der form und Einzelheiten der Erfindung.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   ' .J Reziproker Sperr-Phasenschieber zur Erzeugung wählbarer Phasenverzögerungen von linear-polarisierten Mikrowellen einer elektromagnetischen Strahlung, die sich zwischen wellenführenden Wellenleitern in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, mit einem Paar nichtreziproker Phasenschieber-Anordnungen, die jeweils ein Eingangstor und ein Ausgangstor haben, die jeweils ein Paar reziproker Zirkularpolarisatoren enthalten, welche jeweils einem anderen der Tore zugeordnet sind, und die jeweils einen Faradaydreher enthalten, der zwischen den genannten reziproken Zirkularpolarisatoren angeordnet ist und auf dem Spulenwicklungen angeordnet sind, um die Faradaydreher auf daran angelegte Spannungsimpulse hin in einem magnetischen Zustand zu sperren, wobei jede der nichtreziproken Phasenschieber-Anordnungen in der vom Eingangstor zum Ausgangstor sich ausbreitenden linearpolarisierten elektromagnetischen Energie eine Phasenverzögerung erzeugt, und mit einem Paar magnetischer Zirkulatoren, von denen jeder sowohl auf einen anderen der wellenführenden Leiter als auch auf ein anderes der Tore jeder der Phasenschieber-Anordnungen anspricht, um eine selektive gerichtete Wellenfortpflanzung derart zu erzielen, daß diejenigen Wellen, die aus einem der Wellenleiter austreten und in das zugehörige Ende des Zirkulators eintreten, nur in eine der Phasenschieber-Anordnungen gelangen und nicht in die andere, während diejenigen Wellen, die aus der anderen Phasenschieberanordnung austreten, durch das zugehörige Ende des Zirkulators in den zugehörigen Wellenleiter gelangen, nicht jedoch in die andere Phasenschieber-Anordnung, gekennzeichnet durch mehrere Permanentmagnete und ein in geometrischer Hinsicht symmetrisches monolithisches Festkörper-Ferrit-Gebilde von im wesentlichen rechteckiger Gestalt mit zwei Enden mit rechteckigen Querschnitten, die mit je einem zugehörigen Wellenleiter in Berührung stehen, wobei das Gebilde einen mittig angeordneten Schlitz aufweist, der sich in Querrichtung durch das

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   gesamte Gebilde erstreckt und der sich in Längsrichtung über einen wesentlichen Teil des Gebildes erstreckt, um ein Paar ähnlicher Wege zu schaffen, die die nichtreziproken Phasenschieber-Anordnungen enthalten, und wobei jeder Weg im mittleren Teil einen Faradaydreher enthält und an entgegengesetzten Enden des Faradaydrehers geformte Teile aufweist, die die reziproken Zirkularpolarisatoren bilden, wobei jeder reziproke Zirkularpolarisator an einem zugehörigen von zwei weiteren geformten Teilen angrenzt, von denen jedes zwei der Permanentmagnete aufweist, die an ihren gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das quer zur Längsachse des Gebildes verläuft, und von denen jedes zusammen mit den Magnetpaaren einen der magnetischen Zirkulatoren bildet.
2. 2. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche des Gebildes mit Ausnahme seiner Enden einen leitenden Metallüberzug trägt, um einen Wellenleiter zu bilden, der die elektromagnetischen Wellen innerhalb des Gebildes hält.
3. 3. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende des Gebildes einen Teil mit verringerter Größe zur Ermöglichung des Einführens in den zugehörigen Wellenleiter und mit einer Länge hat, die so gewählt ist, daß er ein Viertelwellenlängen-Wellenwiderstands-Anpassungsteil bildet, das einen Wellenwiderstand für hindurchgehende Wellen darstellt, der zwischen dem Wellenwiderstand des Wellenleiters und demjenigen des Zirkulators für diese Wellen liegt.
4. 4. Phasenschieber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

   daß das WeIlenwiderstands-Anpassungsteil eine sich in Längsrichtung erstreckende, einen elektrischen Widerstand bildende Ebene aufweist, die das Wellenanpassungsteil unter der Winkelhalbierenden in einer Ebene schneidet, die orthogonal zur Polarisationsebene der sich ausbreitenden Welle ist, um so eine Vorrichtung

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   zu bilden, die die sich im Wellenwiderstandsteil in Querrichtung ausbreitenden Wellen absorbiert.
5. 5. Phasenschieber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche des Gebildes mit Ausnahme der Yiertelwellenlängen-Wellenwiderstands-Anpassungsteile einen leitenden metallischen Überzug aufweist, um einen Wellenleiter zu bilden, der die elektromagnetischen Wellen innerhalb des Gebildes hält.

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