DE2631637C3 - Mit Oberflächenwellen arbeitender Isolator für Höchstfrequenzwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit Oberflächenwellen arbeitenden Isolator für Höchstfrequenzwellen mit zwei quaderförmigen Plättchen aus gyromagnetischem Material, deren große Abmessung parallel zur Ausbreitungsrichtung liegt einer zwischen den beiden Plättchen angeordneten, mit zwei Koaxialsteckern verbundenen Leiterebene, deren Abmessung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung kleiner als diejenige der gyromagnetischen Plättchen ist, und mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zur Leiterebene liegenden Vormagnetisierungsfeldes in den beiden gyromagnetischen Plättchen,

Aus der US-PS 38 45 413 bekannte Isolatoren dieser Art werden mit Oberflächenwellen des Typs Quasi-TM oder mit Hybridwellen des Typs HEn betrieben. Das Vormagnetisierungsfeld ist homogen und durchsetzt die gyromagnetischen Plättchen senkrecht zu der Leiterebene. Zur Erzielung einer ausreichenden Rückwartsdämpfung ist entlang dem gyromagnetischen Material an der Seite, an der sich die Energie in der Rückwärtsrichtung ausbreitet, ein Dämpfungsmaterial angeordnet, das die Energie absorbiert Bei einer Ausführungsform sind an einer parallel zur Ausbreitungsrichtung liegenden Seite der gyromagnetischen Plättchen Kerben mit dazwischenliegenden Zähnen angebrach:, damit die Absorption der Energie im ίο Dämpfungsmaterial begünstigt wird. Diese bekannten Isolatoren arbeiten im Frequenzband von 3 bis 7 GHz.

Mit den bisher verfügbaren gyromagnetischen Materialien ist es nicht möglich, Isolatoren dieser bekannten Art zu realisieren, die aach bei Verwendung im VHF-Bereich den gestellten Anforderungen genügen. Hs ist nämlich empirisch bekannt, daß die gyromagnetischen Stoffe in der 'angegebenen Weise nur bei Frequenzen verwendet werden können, die über 2/3 γΜ liegen, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis und M die Sättigungsinduktion sind. Unter Berücksichtigung der Sättigungsinduktionswerte der verfügbaren Materialien kann sich der Anwendungsbereich einer Vorrichtung dieser Art nicht in den VHF-Bereich erstrecken.

Neuere theoretische Untersuchungen der Ausbreitungsmoden der elektromagnetischen Energie in einem Plättchen aus gyromagnetischem Material und insbesondere der Aufsatz von Courtois, Chiron und Forterre in der Zeitschrift »Cables et Transmission«, Oktober 1973, Seiten 416 — 435, zeigten das Vorhandensein von ίο zwei TE-Wellenformen, die als magnetostatische Wellenform bzw. dynamische Wellenform bezeichnet werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines

Isolators der eingangs angegebenen Art der mit den

J5 verfügbaren gyromagnetischen Materialien auch im VHF-Bereich gute Eigenschaften in einem breiten Frequenzband aufweist.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht daß die Leiterebene an einer parallel zur Ausbreitungsrich-•lo tung liegenden Seite Zähne aufveist und daß das Vormagnetisierungsfeld so ausgebildet ist, daß es in der Nähe der Zähne der Leiterebene den Wert hat, der die Resonanz des gyromagnetischen Materials verursacht und in den Teilen der gyromagnetischen Plättchen, die 4"> den nicht mit Zähnen versehenen Teilen der Leiterebene gegenüberliegr n, einen kleineren Wert hat

Der nach der Erfindung ausgebildete Isolator arbeitet mit der dynamischen TE-Wellenform. Er kann mit großer Bandbreite (in der Größenordnung von 1 Okta-■ ><> ve) im VHF-Frequenzband (200 bis 500 MHz) mit hohem Energiepegel (mehreren 10 Watt) und in einem großen Temperaturbereich (-40 bis +70⁰C) ohne merkliche Verringerung des Gütefaktors arbeiten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand Vi der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig.! eine schematische Darstellung zur Erläuterung der dynamischen Wellenform.

F i g. 2 eine Oberansicht der Leiterebene,

F i g. 3 die elektrischen Kennlinien von Breitband-Isohii latoren nach der Erfindung bei fesler Mittenfrequenz als Funktion der Frequenz bei niederem Pegel,

Fig.4 die gleichen Kennlinien bei hohem Pegel bei der Umgebungstemperatür für die optimale Struktur,

Fig.5 die gleichen Kennlinien bei den extremen (>; Temperaturen des Betriebsbereichs,

F i g. 6 eine auseinandergezogene Darstellung der verschiedenen Bestandteile des Isolators,

Fig.7 eine perspektivische Darstellung einer ande-

ren Ausführungsform des IsoIaEors nach der Erfindung und

F i g. 8 die Kennlinien des Isolators von F i g. 7.

Bei den nachstehend beschriebenen Isolatoren wird die dynamische Wellenform angewendet. Es sei auf Fig.! Bezug genommen, wo ein Plättchen aus gyromagnetischem Material dargestellt ist, dem ein rechtwinkliges Koordinatensystem O, Jf,y,zzugeordnet ist Das Plättchen steht unter einem Magnetfeld H₀ in der Richtung der z-Achse, und in dem Plättchen breitet sich die Energie in der Richtung der y-Achse aus, wobei die Dimension des Plättchens in dieser Richtung als unendlich angenommen wird. Die dynamische Wellenform ist dann durch die folgenden Bedingungen gekennzeichnet:

Elektrisches Feld	= O	Magnetisches	--- 4	Fefd	j	K	A.
				Av-
Ex		w.			Il	rl I
				Ol		K
	O		-- A		j		A1
				Ux +		H
Ey	A	H,	-- O		Il	■■;/
		Hl
E.	H.

In diesen Gleichungen sind:

A eine Konstante;

-> ₇
Jt,und kydie Wellenzahlen =" ;

K und μ die Komponenten des Permeabilitäts-Tensors; μ_οπ die effektive Permeabilität des Materials.

Fig.2 zeigt schematisch die Leiterebene 1 eines Isolators. Sie hat die allgemeine Form eines Trapezes und ist an der kleinen Basis mit Zähnen 2 versehen. Die senkrecht zu der Basis des Trapezes verlaufenden kleinen Seiten 3 und 4 dienen zur Verbindung mit den Koaxialsteck ».rn, welche die Vorrichtung abschließen. Bei 5 ist eines der Plättchen aus ferromagnetischem Material dargestellt Ein gleichartiges Plättchen bedeckt die Leiterebene 1. Mit a ist der Abstand zwischen dem Grund der Zahnlücken und dem benachbarten Rand des Plättchens 5 bezeichnet, b ist die Breite eines Zahnes, und c ist der Abstand zwischen zwei ii jfeinanderfolgenden Zähnen. Die Werte dieser Parameter beeinflussen die elektrischen Kenngrößen des fertigen Isolators.

In Fig.3 zeigt das Diagramm 3a die Einfügungsdämpfung, das Diagramw 36 die Sperrdämpfung und das Diagramm 3c den Welligkeitsfaktor von drei Strukturen der in F i g. 2 gezeigten Art, die unterhalb von Fig. 3b dargestellt sind und sich ausschließlich durch die geometrischen Abmessungen der Zähne 2 unterscheiden. Die gestrichelten Kurven entsprechen den Kennlinien der Struktur 31, deren Leiterebene 1 keine Zähne aufweist. Die strichpunktierten Kurven entsprechen den Kennlinien der Struktur 32, deren Leiterebene acht Zähne hat, deren Parameter die folgenden Werte haben:

a = 17 mm, b = -2,0 mm und c = 2,5 mm.

Die ausgezogenen Kurven entsprechen den Kennlinien der Struktur 33 mit der gleichen Zähnezahl und den gleichen Abmessungen bund c, jedoch mit der Tiefe a = 21,5 mm.

Eine Untersuchung der Kurven von Fig.3a läßt erkennen, daß sie sehr nahe beieinander bleiben, und daß die Einfügungsdämpfung zwischen 225 und 400 MHz unter 2,5 dB bleibt.
Die Untersuchung der Kurven von F i g. 3b zeigt den Vorteil der Strukturen mit Zähnen. Die Zähne verhalten sich wie strahlende Elemente, welche die rücklaufende Oberflächenwelle in eine Volumenwelle umwandeln, die von dem Ferrit absorbiert wird, der durch das Vormagnetisierungsfeld auf der gyromagnetischen Resonanz gehalten wird. Die Zähne haben sehr wenig Einfluß auf die Einfügungsdämpfung, da sich die direkte Welle an der Oberfläche in der Zone ausbreitet, in der die Leiterebene kontinuierlich ist (in der Nähe der großen Basis). Es gibt eine Verschiebung des Feldes

15. zwischen der direkten Welle und der rücklaufenden Welle, wie in dem zuvor zitierten Aufsatz in der Zeitschrift »Cables et Transmission« erwähnt ist Die Sperrdämpfung der Struktur 31 ohne Zähne erreicht Werte, die in dem Betriebsfrequenzband unter 15 dB liegen, während die Sperrdämpfung der Struktur 32 mit kurzen Zähnen in dem angegebenen Frequenzband stets größer als 2OdB ist Bei niedrigem Pegel erscheinen die weniger tiefen Zähne günstiger.

Die Kurven von Fig.3 zeigen den Vorteil der Struktur 33 mit langen Zähnen gegenüber den beiden anderen Strukturen hinsichtlich des Welligkeitsfaktors. Es ist näinlich festzustellen, daß die ausgezogene Kurve stets unter den beiden anderen Kurven liegt und eine sehr viel weniger ausgeprägte Krümmung aufweist,

tu wobei der Wert des Welligkeitsfaktors im gesamten Band kleiner als 13 bleibt

Die Kurven von F i g. 3 entsprechen den Eigenschaften des Isolators bei niedrigem Pegel. Wenn man einen Isolator erhalten will, der bei hohem Pegel arbeiten

j-, kann, ist der Welligkeitsfaktor wichtiger als die beiden anderen Kenngrößen. Aus diesem Grund wird bei den bevorzugten Ausführungsformen des Isolators die der Struktur 33 entsprechende Tiefe der Zähne angewendet Bei praktisch ausgeführten Isolatoren, an denen die in F i g. 3 dargestellten Messungen durchgeführt worden sind, wurde eine Leiterebene aus Goidkupfer mit einer Dic^e von 03 mm und als gyromagnetisches Plättchen ein Yttrium-Eisen-Granat verwendet, dessen gemessener magnetischer Verlustfaktor einen Wert von 7,95

4) hatte. Die Mittenfrequenz des Betriebsbandes beträgt 312,5 MHz, entsprechend einer Wellenlänge in Luft von 96 cm. Die Wellenlänge im Granat mit der Dielektrizitätskonstante 16 beträgt also 8,51 cm, und ein Viertel dieser Wellenlänge beträgt 213 mm, was in guter

Übereinstimmung mit dem Abstand a = 21,5 mm ist, der experimentell als der günstigste gefunden wurde.

F i g. 4 zeigt die Kennlinien des gleichen Isolators bei hohem Pegel, d. h. bei einer Eingangsleistung von 4C Watt Mittelwert bei der betreffenden Frequenz. Die

Vi Sperrdäinpfungskurve im Diagramm 4bentspricht einer reflektierten Leistung von 10 Watt Diese Kurven rind bei der Umgebungstemperatur aufgenommen worden.

Die Kurve:! von Fig.5 zeigen die gleichen Kennlinien, aufgenommen bei einer Temperatur von 70⁰C für

bo die ausgezogene Kurve und bei einer Temperatur von -4O⁰C für die gestrichelte Kurve. Die Messungen sind bei der Struktur mit längen Zähnen durchgeführt worden, die als optimal erachtet wird.

Fi g. 6 zeigt die verschiedenen Bestandteile eines fest

<,·-, eingestellten Isolators der beschriebenen Art. Man erkennt wieder die ί eiterebene 1, die mit zwei Steckern 10 und 11 verbunden und so angeordnet ist, daß die Zähne 2 oben liegen. Diese Leiterebene liegt auf einem

gyromagnetischen Plättchen 5 auf. Ein zweites gyromagnetisches Plättchen 12 aus dem gleichen Material wird auf die sichtbare Fläche dieser Leiterebene aufgelegt. Die so gebildete Anordnung ist in einem Gehäuse 13 aus nichimagnetischem Material untergebracht, dessen Rückwand nicht sichtbar ist. Das Gehäuse wird durch einen Deckel 14 verschlossen. Ferner sind die Permanentmagnete 15 und 16 dargestellt, die im Innern der Plättchen 5 und 12 das für den Betrieb notwendige Vormagfietisierüngsfeld ausbilden. Dieses Vormagnetisicrungsfeld ist in der Nähe der Zähne 2 gleich dem gyromagnetischen Resonanzfeld, während es im übrigen Volumen der Plättchen 5 und 12 unter diesem Wert liegt. Da die Erscheinung der gyromagnetischen Resonanz sehr kritisch ist, ist der i$ auszubildende Vormagnetisierungsfeldgradient klein. Er wird dadurch erhalten, daß auf den Luftspalt zwischen den Magneten mit Hilfe nicht dargestellter Zwischenstücke eiiigewifki wiril.

Die Teile 17 und 18 bilden magnetische Kompensationsglieder für die Temperaturabhängigkeit des Magnetfeldes. Die magnetische Struktur ist von einem Weicheisenjoch 20 umschlossen, das über das Gehäuse 13 — 14 gesteckt wird. Ein Gehäuse mit Wänden 21, 22 und 23 aus nichtmagnetischem Material ergibt die Abschirmung der Vorrichtung.

Einstellbare Isolatoren der beschriebenen Art werden dadurch erhalten, daß um das Joch des Magnetkreises eine Wicklung gelegt wird, die auf einen rechteckigen Spulenkörper gewickelt ist und von einem Steuerstrom jo durchflossen wird. Die Einstellung des Isolators erfolgt derart, daß er bei 400 MHz abgestimmt ist, wobei das von der Spule erzeugte Magnetfeld ein Gegenmagnetfeld ist, das dem von den gesättigten Magneten 15 und 16 erzeugten Magnetfeld entgegenwirkt

Fig.7 zeigt einen solchen Isolator in zusammengC' bautem Zustand. Man erkennt wieder das Gehäuse 13 mit dem Koaxialsteckef 10. Das joch 20, die Magnete 15 und 16 und die Kompensationsglieder 17 und 18 liegen zu beiden Seiten des Gehäuses, und die Spule 30 umgibt das Joch 20 auf einem Spulenkörper. Mit den Änschlußdrähtcn 31 und 32 kann die Spule an eine nicht dargestellte einstellbare Stromquelle angeschlossen werden.

Das Diagramm 8d\n F i g. 8 zeigt die Änderung der an die Klemmen der Spule 30 des einstellbaren Isolators angelegten Spannung. Mit A bis Fsind die Punkte der Kurve des Diagramms Sd bezeichnet, die den Frequenzen 225, 250, 300, 350, 375 bzw. 400 MHz entsprechen.

Die Π'ιΐί ucH giciCiicfi BüCiiStäucn ίΐί ucii Οία^ΓαΐΐϊϊΤϊΞΠ 8α,

Sb Und 8c bezeichneten Kurven entsprechen den Ergebnissen von Messungen, die im Frequenzband durchgeführt wurden, während die an die Spule angelegte Spannung auf dem Wert gehalten wurde, der dem mit dem gleichen Buchstaben bezeichneten Punkt der Kurve 8rfentsprach. In einer dickeren ausgezogenen Linie sind die Kurven gezeichnet, die dem Betrieb unter optimalen Bedingungen entsprechen, wenn also die Spannung der Frequenz gemäß der (im wesentlichen linearen) Gesetzmäßigkeit der Kurve Sd nachgeregelt wird.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Mit Oberflächenwellen arbeitender Isolator für HöchstfrequenzweUen mit zwei quaderförmigen Plättchen aus gyromagnetischem Material, deren große Abmessung parallel zur Ausbreitungsrichtung liegt, einer zwischen den beiden Plättchen angeordneten, mit zwei Koaxialsteckern verbundenen Leiterebene, deren Abmessung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung kleiner als diejenige der gyromagnetischen Plättchen ist, und mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zur Leiterebene liegenden Vormagnetisierungsfeldes in den beiden gyromagnetischen Plättchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterebene (t) an einer parallel zur Ausbreitungsrichtung liegenden Seite Zähne (2) aufweist, und daß das Vormagnetisierungsfeld so ausgebildet ist, daß es in der Mähe der Zähneil) der Leiterebene (1) den Wert hat, der die Resonanz des gyromagne'ischen Materials verursacht und in den Teilen der gyromagnetischen Plättchen (5), die den nicht mit Zähnen versehenen Teilen der Leiterebene gegenüberliegen, einen kleineren Wert hat

2. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Tiefe (a) und die Lage der Zähne (2) der Leiterebene (1) so bemessen sind, daß der Abstand zwischen dem Grund der Zahnlücken und dem Rand der gyromagnetischen Plättchen (5) gleich einer ViertelwelleHäJige der sich bei der Mittenfrequenz des Übertragungsfrequenzbandes im Material ausbreitenden Welle ist.

3. Isolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitx. (b) der Zähne (2) gleich dem kleinsten Wert ist, der die Anpassung der Impedanz der Leiterebene (1) an diejenige des gyromagnetischen Materials gewährleistet

4. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Magnetjoch (20) zum Schließen der Induktionslinien des Vormagnetisierungsfeldes, und durch eine auf dem Magnetjoch (20) angebrachte Steuerwicklung (30).

5. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in Dreifachbandleitungstechnik ausgeführt ist.