DE2815668A1 - Breitband-isolator - Google Patents

Description

2815668 Dipl.-Phys. O.E. Weber 5 d-θ München 71

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Breifrband-Isol ator

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- Λ -(θ

Die Erfindung "betrifft allgemein Isolatoren für Hochfrequenzschaltungen und bezieht sich insbesondere auf einen Isolator, der zu einer Packung integriert ist und eine entsprechende elektrische Schaltung aufweist»

Es sind zwei Typen von Isolatoren entwickelt und verwendet worden, um Signalpfade in einer Richtung zu bilden, nämlich abgeschlossene Zirkulatoren und Resonanzisolatoren. Zirkulatoren haben typischerweise drei oder mehr Anschlüsse, wobei ein Minimum der Signaldämpfung zwischen den Signalen erreicht wird, welche an einem ersten Anschluß eingespeist werden und an einem zweiten Anschluß abgenommen werden oder an dem zweiten Anschluß eingespeist werden und an einem dritten Anschluß abgenommen werden, während hingegen eine große Dämpfung eines Signals zwischen dem zweiten Anschluß und dem ersten Anschluß vorhanden ist. Somit wird bei der geeigneten Impedanz an jedem Anschluß eine nicht reziproke Einrichtung geschaffen. Weiterhin sind Resonanzisolatoren bekannt, welche zwei Anschlüsse haben und die gyromagnetische Resonanz eines Ferritmaterials ausnutzen. Diese Art von Isolatoren eignet sich jedoch nur für ein sehr schmales Frequenzband bei der Resonanz des gyromagne ti sehen Materials,, Da die gyromagnetische Resonanz von Gerriten sehr temperaturempfindlich ist, muß bei dieser Art eines Isolators die Wärmeabfuhr sehr sorgfältig gesteuert oder geregelt werden, und zwar die Abfuhr der in dem Ferrit erzeugen Wärme, um eine Veränderung der Resonanzfrequenz zu verhindern. Weiterhin muß verhindert werden, daß die Ferrittemperatur über den Curie-Punkt ansteigt, an welchem das Material einfach paramagnetisch wird.

Ein Isolator der oben beschriebenen Art ist aus der TJS-PS 4· 016 510 bekannte Bei dieser bekannten Anordnung sind zwei Leiter oder Schleifen, deren eines Ende geerdet ist, in einem statischen Magnetfeld angeordnet, so daß ihre Hauptachsen senkrecht zueinander stehen. Weiterhin sind in dem Magnetfeld

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benachbart zu den Schleifen oder Leitungen eine oder'zwei Ferrit scheiben angeordnet, so daß das Feld normal zu den Ebenen der Scheiten verläuft und auch zu den Achsen der Leiter. Eine elektromagnetische Abschirmung ist um die Leiter und die Scheiben herumgeführt, und es ist weiterhin ein Rückführpfad hoher Permeabilität gebildet. Ein einseitiges Widerstandselement ist zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnete Dieses Widerstandselement, welches im wesentlichen nichtreaktiv ist, führt zu einer breitbandigen Ansprechcharakterist ik ο

Ein praktisches Modell eines derartigen Breitbandisolators für viel höhere Frequenzen muß zusätzliche Faktoren berücksichtigen«. Beispielsweise ist die Induktivität des freien Raumes der Schleifen oder Leitungen nicht vernachlässigbar, s.o daß deshalb die Widerstandselemente nicht an den idealen Punkten in der Schaltung oder im Netzwerk angeordnet werden können» Außerdem wird die Kapazität zwischen den Schleifen oder Leitungen erheblich und muß berücksichtigt werden. Der Einfluß auf die Schaltung der "Packung" oder der innerhalb der Abschirmung angeordneten Schaltung ist nicht mehr vernachlässigbar, doho, Massepfade können zu Induktivitäten werden und eine "gute" Masse kann unter Umständen nicht mehr ausreichend sein» Als ideale Anordnung erscheint ein massiver leitender Block, welcher aus einem Vollmaterial hergestellt ist und mit den erforderlichen Schaltungselementen ausgestattet ist, so daß keine externen Elemente erforderlich sindo

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Breitbandisolator für höhere JElF-Frequenzen zu schaffen, welcher mit preiswerten uuu ^eicht herstellbaren Elementen und dabei zugleich mit einem Minimum an externen Bauteilen auskommtβ

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

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Each, dem Grundgedanken der Erfindung wird ein Isolator geschaffen, welcher den obigen Anforderungen genügt, indem ein Äquivalent zu einem massiven Block aus leitendem Material wie Kupfer gebildet wird, indem eine Vielzahl von dünnen Blechen derart übereinander angeordnet werden, daß jedes Blech nach einem photolithographischen Verfahren durch eine Ätzung mit Hohlräumen ausgestattet wird, daß Isolierschichten in bestimmten Abschnitten bestimmter Bleche gebildet wer den, und zwar ebenfalls nach einem photolithographischen Ver fahren, und daß schließlich Ferritscheiben und ein einseitiger Widerstand innerhalb des Stapels angeordnet sind.

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

Figo 1 eine perspektivische Gesamtdarstellung eines zusammengebauten erfindungsgemäßen Isolators,

!ig. 2 eine Explosionsdarstellung der in der Figo 1 veranschaulichten Anordnung,

Fig. 3 eine Ersatzschaltung des Isolators,

Fig· 4 eine Frequenzcharakteristik, welche einen Vergleich der typischen Verluste in "beiden Richtungen veranschaulicht, und

Fig. 5 eine Detaildarstellung aus Fig«, 2, welche die zwei
Schlüsselbleche veranschaulicht„

Der gerätetechnische Aufbau eines Isolators 10 gemäß der
Erfindung ist aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich. In der
Figo 1 ist eine zusammengebaute Anordnung der in der Fig.2 in einer Explosionsdarstellung veranschaulichten Bauelemente dargestellt. Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß ein Block 11 vorhanden ist, der aus einzelnen Schichten oder Blechen 11A bis 11E zusammengefügt ist«. Aus der Figo 2 ist ersichtlich, in welcher Weise die Bleche mit Hilfe von Muttern 12 und Schrauben 13 fluchtend miteinander verbunden sind. Die Bleche 11 sind eben ausgebildet, und sie sind vorzugsweise in einem photolithographischen Verfahren aus Kupferblechen mit einer Dicke von etwa 0,13 mm (0,005 Zoll) hergestellte Es ist zu bemerken, daß die Muttern 12 und die Schrauben nur als Beispiel dargestellt sind, um die Bleche im Block in einer fluchtenden Anordnung in enger Berührung miteinander zu halten. Die zwei Magneten 15 sind benachbart zu der Oberseite und zu der Unterseite des Blockes aus den Blechen 11 angeordnet, wobei die magnetische Anordnung derart gewählt

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ist, daß das EeId im wesentlichen normal zu der Ebene der Bleche 11A bis 11E verläuft. Die Magneten müssen eine Größe haben, um eine gleichförmige Feldstärke zu gewährleisten, so daß ein Magnetfeld gebildet wird, dessen Querschnitt für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Isolators ausreichend groß ist» Eine Stahl- oder Eisenhalterung 16 kann um die Anordnung herum angeordnet sein, um einen Rückführpfad mit hoher Permeabilität zu bilden. Vier Keile 17» welche vorzugsweise aus einem elastischen Material mit geringen Verlusten hergestellt sind, wie es beispielsweise bei Teflon der Fall ist, verhindern einen Kurzschluß zwischen den Leitungen 20, 21 und 22, und sie tragen dazu bei, daß der Isolator und die Leitungen bei Verbiegung, Vibration und Hitzeeinwirkung beim Löten gegen Beschädigung geschützt sind. Diese Keile sind derart dimensioniert, daß der Eingang und der Ausgang als die gewünschte Übertragungsleitung erscheinen, in diesem fall, eine Streifenleitung von 50 Ohm.

Die einzelnen Schichten oder Bleche 11A-11E sind aus der Figo 2 ersichtliche Zwei massive Bleche 11A dienen jeweils als oberstes bzw. unterstes Blech und vervollständigen die Abschirmung des Blockes« Zwei Bleche 11B und 110 sind in der Mitte angeordnet und umfassen gemeinsam die Leitungen 25 und 24, Widerstandsbereiche 25» den Kondensator 26 (Figo 3) und kapazitive Abschnitte 27 und 28, weiterhin Widerstände 30 und 31, Induktivitäten 33 und 34, einen Teil des Masse-ßückführpfades, die Masseleitungen 20 sowie die Eingangs- und Ausgangsleitungen 21 und 22. Die Bleche 11B und 110 werden anhand der Figo 5 näher erläuterte Jede der Gruppe von Blechen 11D enthält zwei Öffnungen, und zwar eine große öffnung 37» welche derart dimensioniert ist, daß sie einen engen Paßsitz für eine der zwei Ferritscheiben 38 bildet, und eine kleine öffnung 40, welche in der Längsrichtung über einen Widerstand 41 paßt. Es ist zu bemerken, daß zwar die Gruppe der

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Bleche 11D gemäß Fig» 2 zwei Untergruppen von jeweils sechs Blechen aufweist, wobei jedoch ein einzelnes Blech, welches aus einem dickeren Material hergestellt ist, die eine oder die andere Untergruppe von Blechen 11D ersetzen könnte,, In jedem lall ist die Anzahl der Öffnungen 40 durch die Dicke des Widerstandes 4-1 festgelegt. Bei dieser Ausführungsform ist der Widerstand 4-1 für ein Achtel Watt ausgelegt, hat eine Dicke von etwa 1,67 mm (65 mils) und ist durch die vierzehn Öffnungen 40 in den Blechen 11B, 110 und 11D gehaltene Jedes aus einer Gruppe von Blechen 11E hat nur die Öffnung 37ο Die Ferritscheiben 38 sind in dieser Ausführungsform etwa 1 mm (40 mils) dick, und jede Scheibe ist innerhalb einer Gruppe von acht Öffnungen 37 in. den Blechen 11D und 11E angeordnete Die in der "Figo 2 dargestellten Bauelemente sollten vorgetrocknet sein und werden dann in einer trockenen Atmosphäre zusammengebaut und mit einem geeigneten feuchtigkeitsbeständigen Dichtungsmittel im Hinblick auf eine maximale Zuverlässigkeit abgedichtet.

Die Ersatzschaltung des Isolators ist in der !"ig· 3 dargestellt, und die einzelnen Bauelemente dieser Schaltung werden anhand der Figo 5 diskutiert. Die Pig«, 4- zeigt typische Kurven 4-2 und 43 für die Verluste bzw. für die Dämpfung in der Vorwärtsrichtung bzw«, in der Rückwärtsrichtung_o Dadurch wird die Breitbandcharakteristik und ein maximaler Unterschied in der Dämpfung von 4-5 db veranschaulichte

In der Figo 5 sind die zwei Mittelbleche 11B und 110dargestellt, und zwar in einem vergrößerten Maßstab«, Jedes Blech hat eine Öffnung 44, welche ähnlich is* wie die Öffnungen 37, wobei jedoch durch die Mitte einex ~er Leiter oder eine der induktiven Leitungen 23 und 24 hindurchgeführt sind. Jede der induktiven Leitungen 23 und 24- kann als eine Induktivität und eine Stromquelle aufgefaßt werden« Die Bleche 11B und 110 sind in ihrer Itzung identisch, und die isolierten Bereiche (die unten beschrieben werden) sind identisch, jedoch wird

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— ν —

ein Blech "beim Zusammenbau umgedreht, so daß die Leitung 23 senkrecht zu der Leitung 24 verläuft, wenn, die Bleche in der zusammengebauten Einrichtung angeordnet sind«. Die Leitungen 23 und 24 sind gegeneinander isoliert, und zwar durch die Isolierschicht 45, welche entweder auf eine der Leitungen oder auf beide Leitungen aufgebracht wird_o Ein bevorzugtes Isoliermaterial ist ein Ehotowiderstand, der kommerziell unter der Bezeichnung "Eiston", Type 211, erhältlich ist_o Weil der Bereich 45 und die übrigen Isolierbereiche photographisch festgelegt werden können, und zwar ebenso wie die geätzten Bereiche, können die Fertigungskosten stark reduziert werden, während dennoch ein hohes Maß an Genauigkeit bei der Herstellung gewährleistet ist_e

Der mittlere Bereich jeder Leitung 25 und 24 hat eine Öffnung 46, welche die Kopplungskapazität 26 von einer Leitung zur anderen stark vermindert, während die Induktivität nur leicht zunimmt, weil der Strom an den Händern jeder Leitung konzentriert ist_o Die Induktivität des freien Eaums der Leitungen 23 und 24 wird durch die Induktivitäten 33 und 34 gebildete Die Widerstände 30 und 31 (Figo 3) sind aus dem Widerstand der Leitungen 23 und 24 gebildet sowie durch die entsprechende Länge der Leitungen, und ein Bereich 48 aus Isoliermaterial isoliert jede Leitung 21 und 22_O Der Isolierbereich 48 besteht aus zwei Teilen, und zwar aus einem auf der Innenseite des Bleches 11B oder 110, welcher sich von den Widerstandskontaktbereichen 25 bis zu dem Rand des Blockes der Bleche erstreckt, und der andere auf der Außenseite des Bleches, welcher sich von der nicht geerdeten Seite der Leitung 23 oder 24 bis zu dem Rand des Blockes erstreckte Der Widerstand 41, welcher sehr kurze Leitungen hat, ist in den öffnungen 40 angeordnet, und die Widerstandsleitungen sind zwischen den Blechen 11B und 11G gehalten und werden gegen die Kontaktbereiche 25 gedrückt. Somit ist ein Bereich 50 aus Isoliermaterial auf jedem Blech 11B und 110 gegenüber von dem Kontaktbereich 25 des jeweils anderen der Bleche 11B und

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erforderlich· Mit anderen Worten, wenn der Isolator vollständig zusammengebaut ist, stellt eine Leitung des Widerstandes 41 einen Kontakt mit nur einem der Bleche 11B und 11G her, während die andere Leitung einen Eontakt nur mit dem anderen Blech herstellte Da der Widerstand 41 durch den gesamten Block aus leitendem Material eine entsprechende Wärmesenke aufweist, kann von dem Widerstand die Wärme außerordentlich gut abgeführt werden. Die Bleche 11A, 11D, 11B und alle Bereiche der Bleche 11B und 11C, welche mit anderen Blechen in einem elektrischen Kontakt stehen, werden derart miteinander vereinigt, daß ein Masserückführpfad und eine Abschirmung für den Isolator gebildet werden« Die Kapazitäten 27 und 28 (S"ig· 3) sind ein Ergebnis der Kapazität zwischen den isolierten Leitungen 21 und 22 und den benachbarten Bereichen der Massepf ade_o

Gemäß der Erfindung wird somit aus preiswerten und leicht herstellbaren Blechen ein Äquivalent zu einem "Kupferblock" geschaffen, welches einen nahezu idealen Isolator für hohe Frequenzen darstellt. Verschiedene Abwandlungen und Modifikationen sind natürlich denkbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   ( 1 J Breitband-Isolator mit zwei Anschlüssen zur Verwendung in elektronischen Hochfrequenz-Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet , daß der Isolator gyromagnetische Elemente (38) aufweist, daß weiterhin ein Widerstand (4-1) vorgesehen ist, daß weiterhin eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten ebenen Elementen (11) vorgesehen ist, daß jedes Element im wesentlichen dieselben Abmessungen in der größeren Ebene aufweist, daß jedes Element aus einem leitenden Material hergestellt ist, daß wenigstens einige der Elemente Öffnungen aufweisen, um die gyromagnetisehen Elemente und den Widerstand aufzunehmen, daß weiterhin Isolierbereiche an zwei der ebenen Elemente angeordnet sind, um Abschnitte von jedem der zwei Elemente gegen benachbarte Elemente zu isolieren, daß weiterhin Magneten (15) benachbart zu den ebenen Elementen angeordnet sind, um ein statisches Magnetfeld in einer Richtung zu erzeugen, welche im wesentlichen senkrecht zu den Ebenen der ebenen Elemente verläuft, daß das Magnetfeld in den gyromagnetisehen Elementen im wesentlichen gleichförmig ist, daß weiterhin die zwei der ebenen Elemente leitende Abschnitte zwischen den gyromagnetischen Elementen aufweisen, welche leitungsförmig ausgebildet sind, wobei die Achse eines induktiven Abschnittes senkrecht zu der Achse des anderen induktiven Abschnittes angeordnet ist, daß weiterhin vorgegebene Abschnitte der ebenen Elemente Abstimmelemente für die induktiven Leitungen aufweisen, daß ein erstes Ende des Widerstandes elektrisch mit einem der zwei ebenen Elemente verbunden ist und daß ein zweites Ende des Widerstandes mit dem anderen der zwei ebenen Elemente verbunden ist ο

   2« Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gyromagnetischen Elemente Ferrit scheiben aufweisen.

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   OFMGWAL INSPECTED

   β Isolator nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Elemente aus Kupferblech hergestellt sind.

   4-O Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Elemente nach einem lithographischen Verfahren hergestellt sind»

   Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der isolierenden Abschnitte durch ein photolithographisches Verfahren festgelegt sindo

   6. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Elemente eine Abschirmung für den Isolator aufweisen.

   7. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückführpfad (16) hoher Permeabilität für das magnetische PeId gebildet ist.

   8ο Breitband-Isolator mit zwei Anschlüssen zur Verwendung in elektronischen Hochfrequenzeinrichtungen, dadurch gekennzeichnet , daß der Isolator gyromagnetische Elemente (38) aufweist, daß weiterhin ein Widerstand (41) vorgesehen ist, welcher eine erste und eine zweite Klemme aufweist, daß weiterhin eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel und benachbart zueinander angeordneten ebenen Elementen (11) vorhanden ist, daß jedes Element aus einem leitenden Mata?ial besteht, daß ein erstes der ebenen Elemente eine erste Induktivität aufweist, weiterhin einen ersten Kontaktbereich und einen ersten Abschnitt mit einer ersten Kapazität aufweist und weiterhin eine erste öffnung hat, um den Widerstand aufzunehmen, und schließlich eine zweite öffnung aufweist, welche Abmessungen aufweist, die im wesentlichen gleich den Abmessungen der gyromagnetisehen Elemente

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   sind, daß ein zweites der ebenen Elemente eine zweite Induktivität, einen zweiten Kontaktabschnitt und einen ersten Abschnitt mit einer zweiten Kapazität aufweist, weiterhin eine erste Öffnung zur Aufnahme des Widerstandes und eine zweite Öffnung mit Abmessungen hat, welche im wesentlichen gleich den Abmessungen der gyromagne ti sehen Elemente sind, daß die Achse der ersten Induktivität senkrecht zu der Achse der zweiten Induktivität angeordnet ist, daß die Klemmen der Widerstandseinrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten ebenen Element angeordnet sind, damit die erste Klemme in elektrischem Kontakt mit dem Kontaktbereich des ersten ebenen Elementes und die zweite Klemme in elektrischem Kontakt mit dem Kontaktbereich des zweiten ebenen Elementes gehalten sind, daß die anderen der ebenen Elemente erste Öffnungen haben, um die gyromagnetisehen Elemente aufzunehmen, daß eine vorgegebene Anzahl der anderen Elemente zweite Öffnungen haben, um den Widerstand aufzunehmen, daß ein erster isolierender Abschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten ebenen Element angeordnet ist, um die erste Induktivität gegen die zweite Induktivität zu isolieren, daß ein zweiter isolierender Abschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten ebenen Element angeordnet ist, um den ersten Kontaktbereich gegen das zweite ebene Element und den zweiten Kontaktbereich gegen das erste ebene Element zu isolieren, daß weiterhin ein dritter isolierender Abschnitt derart angeordnet ist, daß die ersten Abschnitte der ersten und zweiten kapazitiven Einrichtung gegen die benachbarten Bereiche der anderen äev ebenen Elemente isoliert sind, daß eine Abschirmung vorgesehen ist, um die ebenen Elemente elektrostatisch abzuschirmen, und daß magnetische Elemente derart angeordnet sind, daß senkrecht zu den Ebenen der ebenen Elemente ein statisches magnetisches Feld vorhanden ist.

   Isolator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gyromagnetischen Elemente Ferritscheiben sind»

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   10οIsolator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Elemente durch ein photolithographisches Verfahren hergestellt sind»

   ο Isolator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierenden Abschnitte auf den ebenen Elementen durch ein photolithographisches Verfahren hergestellt sindo

   12, Isolator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Elemente aus Kupferblech hergestellt sindo

   13o Isolator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung aus Kupferblech gebildet ist_o

   14-O Isolator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung aus Abschnitten der ebenen Elemente bestehto

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