DE2719530A1

DE2719530A1 - Breitband-isolator

Info

Publication number: DE2719530A1
Application number: DE19772719530
Authority: DE
Inventors: Ralph Thomas Enderby; Iii Eugene Walton Hodges; Francis Robert Steel
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1976-05-03
Filing date: 1977-05-02
Publication date: 1977-11-24
Also published as: JPS5649484B2; SE412491B; SE7705112L; JPS52134349A; GB1531201A; FR2350705A1; CA1069989A; US4016510A; NL7704822A; FR2350705B1; HK50183A

Description

Dipl.-Phys. O.E. Weber _α ο-β «onch.n 71 HofbrunnstraSe 47

Tetefon: (088)7915050

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M 521

MOTOROLA., INC.
East Algonquxn fioad
Schaumburg, 111. 60196, USA

Breitband-Isolator

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Die Erfindung betrifft allgemein Isolatoren zur Verwendung bei hohen Frequenzen und bezieht sich insbesondere auf einen Breitband-Isolator.

Gegenwärtig bekannte Isolatoren dieser Art lassen sich grundsätzlich in zwei Gruppen einteilen, nämlich Zirkulatoren mit einem Abschluß und Resonanzisolatoren. Beide Typen von Isolatoren können dazu verwendet werden, eine bestimmte Stufe einer elektrischen Schaltung gegenüber nachgeschalteten Stufen zu isolieren. Bei einem Zirkulator sind gewöhnlich drei oder vier Anschlüsse vorhanden, oder es können sogar zwei oder mehrere Einrichtungen mit jeweils drei Anschlüssen miteinander kombiniert sein. Es handelt sich dabei um eine nicht-reziproke Einrichtung, in welcher die Energie, welche in einen ersten Anschluß eintritt, mit einem Minimum an Dämpfung oder Verlust an einen zweiten Anschluß geführt wird, unter der Annahme, daß der zweite Anschluß durch eine entsprechende Impedanzanpassung abgeschlossen ist, während diejenige Energie, welche dem zweiten Anschluß zugeführt wird, fast vollständig einem dritten Anschluß zugeführt wird, an welchem sie in einer Impedanzanpassung abgeführt bzw. verbraucht werden kann. Venn daher die Anschlüsse 1 und 2 betrachtet werden, arbeitet der Zirkulator als Isolator. Der größte Nachteil einer solchen Einrichtung besteht darin, daß sie von Hause aus schmalbandig arbeitet, weil die Impedanzanpassung an dem dritten Anschluß reaktiv sein muß und somit frequenzabhängig ist.

Ein typischer bekannter Resonanzisolator ist üblicherweise eine Einrichtung mit zwei Anschlüssen, wobei eine Isolation mit Hilfe einer gyromagnetischen Resonanz des Ferritmateriale gewährleistet wird, wobei kein externes Element dazu dient, eine einseitige Anordnung zu schaffen. Solche Isolatoren sind nur wirksam bei Frequenzen in der Nähe der Resonanzfrequenz des Materials, so daß diesen bekannten Einrichtungen der

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Nachteil eigen ist, daß sie nur schmalbandig arbeiten können. Da weiterhin die gyromagnetische Resonanz weitgehend durch die Stärke des angelegten Magnetfeldes bestimmt wird, ist die Arbeitsweise einer solchen bekannten Einrichtung gegenüber Temperaturänderungen empfindlich, welche zu einer Veränderung des Magnetfeldes führen. Dadurch wird die Fähigkeit solcher Einrichtungen begrenzt, eine erhebliche Leistung zu verarbeiten, da die verbrauchte Energie innerhalb des Ferritmaterials verbraucht wird. Bei Temperaturen oberhalb des Curie-Punktes hört die Austauschkopplung in dem Ferritmaterial auf, so daß dieses Material nur noch paramagnetisch ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Isolator oder eine nicht-reziproke Einrichtung für Hochfrequenz-Einrichtungen zu schaffen, welcher nicht nur möglichst einfach und kompakt aufgebaut ist, sondern zugleich auch über ein außerordentlich breites Frequenzband arbeitet.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß ein erster Leiter vorgesehen ist, welcher zwischen der Eingangsklemme und der Spannungsbezugsquelle angeordnet ist, daß weiterhin ein zweiter Leiter vorhanden ist, der zwischen der Ausgangsklemme und der Bezugsspannungsquelle angeordnet ist, daß weiterhin die Längsachse des zweiten Leiters um im wesentlichen 90° gegenüber der Achse des ersten Leiters gedreht ist, daß weiterhin ein Isolator vorgesehen ist, welcher den ersten Leiter gegenüber dem zweiten Leiter elektrisch isoliert, daß weiterhin wenigstens ein gyromagnetischeε Element unmittelbar benachbart zu den Leitern angeordnet ist, daß weiterhin magnetische Elemente vorgesehen sind, welche ein statisches Magnetfeld liefern,

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daß der erste und der zweite Leiter und das gyromagnetische Element innerhalb des Magnetfeldes angeordnet sind und das Magnetfeld senkrecht zu der Ebene des gyromagnetisehen Elementes verläuft, daß weiterhin ein erster und ein zweiter Kondensator parallel zu dem ersten bzw. dem zweiten Leiter geschaltet sind und daß ein Widerstand zwischen der Eingangsklemme und der Ausgangsklemme angeordnet ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen. .

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Teildarstellung eines Isolators, welcher gemäß der Erfindung aufgebaut ist,

Fig. 2 eine weggebrochene Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes,

Fig. 3 eine weggebrochene Explosionsdarstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in einer Seitenansicht, und

Fig. 4 eine grafische Sarstellung der relativen Verluste von den zwei Richtungen durch den Isolator.

In den Fig. 1 und 2 sind zwei Leiter oder Gitter 10 und 11 dargestellt, deren Längsachsen um 90° gegeneinander versetzt sind, um eine minimale Kopplung zu erreichen. Diese Leiter oder Gitter könnten einzelne Drähte sein, sie könnten auch als geteilte Leiter oder als Spulen ausgebildet sein, welche mehr als eine Windung haben, was von der Betriebefrequenz

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abhängt. Die einzelnen Leiter können flach ausgebildet sein, damit die Gesamtanordnung möglichst flach gehalten werden kann, und sie können vorzugsweise als Schichten auf ein flexibles dielektrisches Material aufgebracht werden, wozu vorteilhafterweise Kapton als dielektrisches Material verwendet wird. Die Gitter sind gegeneinander durch eine dünne Schicht 12 eines Isolationsmaterials wie Mylar isoliert. Eine Ferritscheibe 13 ist benachbart zu den Gittern angeordnet, und auf jeder Seite der Anordnung ist ein Magnet 14 vorgesehen. Ein Ende jedes Gitters ist geerdet, indem es mit einem aus Kupfer bestehenden Abschirmkasten 15 verbunden ist, der die Gitter, die Ferritscheiben und die Magneten umgibt, und dieser Kasten ist mit der Masse des Systems verbunden, so daß der Kasten zugleich als Erdungsplatte dient. Ein Weicheisenstück 16 umgibt die Einheit teilweise, um einen Rückführpfad hoher Permeabilität für das Magnetfeld zu bilden. Das Eisenstück 16 ermöglicht die Verwendung kleinerer Magneten und vermindert die Einwirkung externer Magnetfelder.

Die nicht geerdeten Enden der Gitter 10 und 11 werden aus dem Kupfergehäuse herausgeführt und über einen Widerstand 17 miteinander verbunden. Dieser Widerstand, welcher an die Gitter angeschlossen ist, führt zu einer einseitigen Charakteristik über ein breites Band von Frequenzen und führt die verbrauchte Energie extern ab, wie es nachfolgend erläutert wird. Ein Kondensator 18 ist an jedes Gitter angeschlossen und kann innerhalb oder außerhalb des Kupfergehäuses 15 und des Eisenstücks 16 angeordnet sein. Die Kondensatoren 18 dienen zur Impedanzanpassung am Eingang und am Ausgang. Eingangsleitungen sind an das Eingangsgitter 10 angeschlossen, und Ausgangsleitungen sind an das Ausgangsgitter 11 angeschlossen.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ähnlich aufgebaut wie die in der Fig. 2 veranschaulichte Ausführungsform, mit der

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Ausnahme, daß eine zweite Ferritscheibe 13 gegenüber von der ersten Scheibe 13 angeordnet ist und die Magneten 14 außerhalb des zur Abschirmung dienenden Gehäuses 15 liegen. Die Arbeitsweise der zwei Ausführungsformen ist identisch. Sie unterscheiden sich lediglich hinsichtlich ihres Frequenzverhaltens. Da die Einrichtung nicht bei der gyromagnetisehen Resonanz der Ferritscheiben arbeitet, ist die Einstellung des Magnetfeldes nicht kritisch, wie es jedoch bei herkömmlichen Resonanzisolatoren und -zirkulatoren der Fall ist. Die Scheibe 13 kann derart ausgebildet sein, wie es bei polykristallinen Granat-Mikrowellenferriten üblich ist und insbesondere bei substituierten Yttriumeisengranaten. Wünschenswerte Eigenschaften für diese Anwendung sind eine verhältnismäßig geringe Sättigungsmagnetisierung (400 bis 1000 Gauss), eine geringe Linienbreite (40 bis 45 Oersted) und eine hohe Curie-Temperatur (135 bis 250 ⁰C). Die Ferritscheibe (oder die Scheiben) 13 liefert/liefern dann, wenn sie durch ein geeignetes statisches Magnetfeld magnetisch vorgespannt ist, eine Differenz von etwa 20 dB (Fig. 4) zwischen der Einfügungedämpfung (Kurve 20) und der Sperr-Richtungsdämpfung (Kurve 21).

Die Kurve 20 gemäß Fig. 4 zeigt die Einfügungsdämpfung einer Ausführungsform, welche für einen Betrieb im Frequenzbereich von 130 MHz bis 170 MHz ausgebildet ist. Die Kurve 21 zeigt die Dämpfung durch den Isolator in der entgegengesetzten Richtung. Der Maßstab der Ordinate in dB mit einem Sprung zwischen 12 dB und 18 dB dient zur Komprimierung der zeichnerischen Darstellung. Die Kurven gemäß Fig. 4 zeigen nicht nur denUnterschied zwischen der Einfügungsdämpfung und den Verlusten und Sperrichtung, sondern auch die Breitbandcharakteristik, welche gemäß der Erfindung hauptsächlich angestrebt wird. Eine derartige Charakteristik ist bei bekannten Einrichtungen nicht zu erreichen, da sie entweder die gyromagnetische Resonanz eines Ferritmaterials ausnutzen oder reaktive Impedanzanpaßschaltungen verwenden, so daß die entsprechenden Einrichtungen in starkem Maß frequenzabhängig werden.

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Eine nicht dargestellte typische Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung wäre die Isolation eines spannungsgesteuerten Oszillators gegen Frequenzmitzieheffekte der rückwärtigen Stufen bei einer tragbaren Einheit. Die Breitbandcharakteristik, die externe Energieabführung und die weniger kritische Einstellung des Magnetfeldes sind insbesondere in einer kleinen, kompakten Einheit von besonderem Vorteil. Es erweist sich als besonders vorteilhaft, daß die erfindungsgemäße Anordnung über einen Frequenzbereich betrieben werden kann, der wenigstens von 13O MHz bis 2000 MHz reicht.

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IBBfI

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Λ.) Breitband-Isolator mit zwei Anschlüssen, insbesondere zur Verwendung in einer Hochfrequenz-Funkeinrichtung, wobei der Isolator Eingangsklemmen und Ausgangsklemmen aufweist sowie eine Bezugsspannungsquelle hat, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Leiter (11) vorgesehen ist, welcher zwischen der Eingangsklemme und der Spannungsbezugsquelle angeordnet ist, daß weiterhin ein zweiter Leiter (10) vorhanden ist, der zwischen der Ausgangsklemme und der Bezugsspannungsquelle angeordnet ist, daß weiterhin die Längsachse des zweiten Leiters um im wesentlichen 90° gegenüber der Achse des ersten Leiters gedreht ist, daß weiterhin ein Isolator (12) vorgesehen ist, welcher den ersten Leiter gegenüber dem zweiten Leiter elektrisch isoliert, daß weiterhin wenigstens ein gyromagnetisches Element (13) unmittelbar benachbart zu den Leitern angeordnet ist, daß weiterhin magnetische Elemente (14) vorgesehen sind, welche ein statisches Magnetfeld liefern, daß der erste und der zweite Leiter und das gyromagnetische Element innerhalb des Magnetfeldes angeordnet sind und das Magnetfeld senkrecht zu der Ebene des gyromagnetischen Elementes verläuft, daß weiterhin ein erster und ein zweiter Kondensator (18) parallel zu dem ersten bzw. dem zweiten Leiter geschaltet sind und daß ein Widerstand (1?) zwischen der Eingangsklemme und der Ausgangsklemme angeordnet ist.
2. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Elemente wenigstens zwei Magneten aufweisen.

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ORIGINAL INSPECT»
3. Isolator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektromagnetische Abschirmung (15) vorgesehen ist, daß der erste und der zweite Leiter sowie das gyromagnetische Element im wesentlichen innerhalb der Abschirmung angeordnet sind und daß die Abschirmung an die Bezugsspannungsklemme angeschlossen ist.
4. Isolator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß

die Magneten innerhalb der elektromagnetischen Abschirmung angeordnet sind.
5. Isolator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bückführpfad (16) hoher Permeabilität für das Magnetfeld der Magneten vorgesehen ist.
6. Isolator nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführpfad ein Veicheisenstück ist, welches benachbart zu der elektromagnetischen Abschirmung angeordnet ist und diese teilweise umgibt.
7. Isolator nach Anspruch 3« dadurch gekennzeichnet, daß die leitende elektromagnetische Abschirmung ein Abdeckgehäuse ist, welches wenigstens eine Öffnung aufweist.
8. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gyromagnetische Element eine polykristalline Mikrowellen-Granatferritscheibe ist.
9. Isolator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritscheibe aus einem Material aus der Gruppe von substituierten Yttriumeisengranaten besteht.

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