DE2848271C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektronischen Wellenleiter­ schalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solcher Wellenleiterschalter ist aus der US-PS 33 50 663 bekannt. Dort wird ein Ferrit-Zirkulator beschrieben, der Steuerelemente aufweist, die aus Ferritscheiben und Ferritrin­ gen zusammengesetzt sind, so daß sich eine ringförmige Ausneh­ mung ergibt, in der eine Magnetspule angeordnet ist.

Die Ferritverzweigungen in elektronischen Wellenleiterschaltern sind üblicherweise mit einer Schaltspule versehen, deren Drähte sich durch den Ferrit und den Wellenleiter hindurch erstrecken. Ein derartiger elektronischer, verriegelbarer Schalter ist bei­ spielsweise in einer Veröffentlichung von Passaro et al. mit dem Titel "A 35-GHz Latching Switch" in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-14, Nr. 12, Dezember 1966, Seiten 669 bis 672, beschrieben.

Elektronische Verriegelungsschalter dieser Art werfen ernsthafte Probleme bei der Herstellung auf. So besteht das Ferritelement aus einem dreiseitigen Körper von im allgemeinen prismatischer Form, der sich in Richtung auf die drei Wellenleiter erstreckt. Der Wellenleiter­ schalter umfaßt ferner einen Impedanzanpassungswandler, der sich ebenfalls in jede der drei Wellenleiter hinein erstreckt. Die Konstruktion eines derartigen Wellenlei­ ters macht ernsthafte Schwierigkeiten, da die Konfigura­ tion analytisch nicht erfaßbar ist und nicht berechnet werden kann. Daher müssen durch praktische Versuche ver­ schiedene Konfigurationen ausprobiert werden, bis die geeignete Form gefunden ist, welche ein elektronisches Signal über ±120° ablenkt und die Impedanz der Wellen­ leiter an die der Verzweigung anpaßt.

Außerdem kann die Größe der für die Erregung der Schalt­ spule verwendeten Drähte nicht über ein bestimmtes Maß hinaus verkleinert werden. Daher ist im Bereich der Millimeterwellen (von 30 GHz bis 300 GHz) die Größe des Drahtes vergleichbar mit der des Wellenleiters. Das heißt, daß der die Schaltspule und ihre Anschlußdrähte ein­ schließende Abschnitt des Steuerferritelementes in seiner Größe nicht über einen bestimmten Wert verkleinert werden kann. Dies wiederum legt die höchste Frequenz fest, bei welcher ein solcher Schalter eingesetzt werden kann.

Es ist ferner zu bemerken, daß die jeweilige Konfigura­ tion, die durch viele Versuche ermittelt wurde, nur für ene spezielle Wellenlänge geeignet ist und nicht ohne weiteres für andere Wellenlängenbereiche maßstäblich vergrößert oder verkleinert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektroni­ schen Wellenleiterschalter anzugeben, der verriegelbar ist und in einem Frequenzbereich von etwa 2 bis 100 GHz eingesetzt werden kann, und in einfacher Weise für jeden speziellen Wellenlängenbereich maßstäb­ lich vergrößert oder verkleinert werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 1 angegeben.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen elektronischen Wellen­ leiterschalter, anhand dessen die Funktionsweise ei­ nes solchen Schalters erläutert werden soll, und

Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wellen­ leiterschalter.

Fig. 1 dient zur Erläuterung der grundlegenden Funktionsweise eines Wellenleiterschalters. Einzelheiten der Erfindung werden dann anhand der Fig. 2 weiter unten erläutert.

Der elektronische Wellenleiterschalter gemäß Fig. 1 umfaßt einen üblichen Mehrkanalwellenleiter mit einem Eingangs­ wellenleiter 11 und zwei oder mehr Ausgangswellenleitern, wie beispielsweise dem Wellenleiter 12. In einer herkömm­ lichen Weise arbeitet der Wellenleiterschalter so, daß ein Eingangssignal auf dem Eingangswellenleiter 11 will­ kürlich in einen der beiden Ausgangswellenleiter gelenkt wird, von denen einer durch den Ausgangswellenleiter 12 dargestellt ist.

Dies wird durch zwei Verzweigungsferritelemente 14 und 15 erreicht, die auch als Schaltferritelemente bezeichnet werden können. Jedes der Ferritelemente 14 und 15 ist im wesentlichen zylindrisch geformt und in der Mitte des Dreiwegewellenleiters 10 angeordnet.

Der elektronische Wellenleiterschalter gemäß Fig. 1 umfaßt ferner zwei Treiber- oder Steuerferritelemente 16 und 17, von denen jedes im wesentlichen außerhalb des Dreiwege­ wellenleiters 10 angeordnet ist. Die beiden in Fig. 1 dargestellten Steuerferritelemente 16 und 17 sind eben­ falls im wesentlichen zylindrisch geformt und in der Mitte des Dreiwegewellenleiters 10 angeordnet.

Jedes der Steuerferritelemente 16 und 17 weist eine zylindrische Aussparung 18 auf, in der eine Steuermagnet­ spule 20 angeordnet ist. Das äußere, zu dem jeweiligen Verzweigungsferritelement 14 bzw. 15 hinweisende Ende der zylindrischen Aussparung 18 kann mit einer dielektri­ schen Abdeckung 21 versehen sein, um die zylindrische Aussparung 18 und die in ihr angeordnete Steuermagnet­ spule 20 abzuschirmen. Durch jedes der Steuerferritele­ mente 16, 17 erstreckt sich ein Paar von Drähten 22 aus der Anordnung heraus, um diese an eine Spannungsquelle anzuschließen.

Vorzugsweise sind die beiden Schaltferritelemente 14 und 15 an ihren einander zugewandten Oberflächen mit kegel­ stumpfförmig abgeschrägten Randflächen 24 versehen. Mit dieser Formgebung soll der Energieverlust minimal ge­ macht werden, der in diesen Bereichen dadurch auftritt, daß der Magnetfluß nicht durch diese Bereiche fließt.

Die beiden Schaltferritelemente 14 und 15 werden durch eine dielektrische Hülse 25 zusammengehalten. Sie sind durch einen dielektrischen Abstandshalter in Form einer Scheibe 26 voneinander getrennt. Diese Scheibe dient da­ zu, den Magnetfluß beispielsweise auf die Ferritelemente 14 und 16 zu beschränken und diesen Magnetfluß von dem Magnetfluß durch die Ferritelemente 15 und 17 zu trennen. Ferner ist ein leitfähiges Septum 27 zwischen den Ferrit­ elementen 14 und 16 bzw. 15 und 17 angeordnet. Das Septum 27 dient als Abschirmung gegen Radiofrequenzen und bildet einen kontinuierlichen Übergangsleiter zwischen dem Ein­ gangswellenleiter 11 und beispielsweise dem Ausgangswel­ lenleiter 12.

Jedes der Schaltferritelemente 16 und 17 ist von einem metallischen Abstandshalter 30 umgeben. Ferner ist eine Kappe 31 vorgesehen, welche jeweils den Abstandshalter 30 und das Schaltferritelement 16 bzw. 17 umgibt. Die Kappe 31 ist auf ihrer Außenseite mit einem Gewinde 32 versehen, auf das eine Nut 33 aufgeschraubt ist. Die Nut 33 spannt die Wellenleiter 11 und 12 gegen einen Impedanzwandler 35, der innerhalb der Dreiwegewellenleiterverzweigung an­ geordnet ist. Der Impedanzwandler 35 ist im wesentlichen scheibenförmig ausgebildet und innerhalb der Wellenleiter 11 und 12 angeordnet. Der Impedanzwandler 35 besitzt einen verdickten Randabschnitt 36 an den sich zu der Hülse 25 hin ein dünnerer Abschnitt anschließt. Der dün­ nere Abschnitt 37 kann gegebenenfalls erforderlich sein, um die Impedanzen der Wellenleiter an die Impedanz der Wellenleiterverzweigung anzupassen. Ferner kann zwischen dem Impedanzwandler 35 und dem Wellenleiter 11 einerseits sowie der Nut 33 andererseits jeweils eine Aussparung 38 bzw. 40 vorgesehen sein. Diese Aussparungen sind nur aus mechanischen Gründen vorgesehen, um die Spannung zu reduzieren und einen guten Kontakt zwischen dem Impedanz­ wandler 35 und den Wellenleitern 11 und 12 zu erhalten.

Es ist wichtig, daß zwischen dem Steuerferritelement 16, dem Septum 27 und dem Schaltferritelement 14 kein Luft­ spalt entsteht. Ein derartiger Luftspalt könnte die ma­ gnetischen Eigenschaften verändern, beispielsweise den geschlossenen Magnetfluß unterbrechen, und kann den Verlust der Verriegelungsfunktion bewirken. Die Vermei­ dung solcher Luftspalte läßt sich beispielsweise durch eine Feder 41 erreichen, die sich einerseits an der Außenfläche des Steuerferritelementes 16 und anderer­ seits an einer Schulter der Kappe 31 abstützt. Es ver­ steht sich, daß andere Mittel verwendet werden können, um die Ferritelemente elastisch gegeneinander zu spannen.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der in Fig. 1 darge­ stellten Vorrichtung erläutert werden. Die Schaltferrit­ elemente 14 und 15 müssen Hochleistungselemente mit ge­ ringem Verlust sein. Sie können aus einem Ferritmaterial wie beispielsweise Granat bestehen, der mit Aluminium oder Gadolinium dotiert ist. Daher kann das Schaltferrit­ element verriegelt werden. Dies bedeutet einfach, daß es seine Magnetisierungsrichtung so beibehält, daß es ein Eingangssignal auf dem Eingangswellenleiter 11 um einen geeigneten Winkel in einen ausgewählten Ausgangs­ wählleiter ablenkt.

Die Steuerferritelemente 16 und 14 ihrerseits weisen eine hohe Restflußdichte auf aufgrund einer hohen Remanenz. Sie können beispielsweise aus einem Lithiumzinkferrit oder einem Magnesiumferrit oder verschiedenen Granatmaterialien bestehen. Wenn ein Stromimpuls über die Drähte 22 fließt, liefert das von der Magnetspule 20 erzeugte Magnetfeld einen geschlossenen Magnetfluß 44 (siehe Fig. 1). Dieser wiederum ändert die Ausrichtung der magnetischen Dipole in dem Schaltferritelement 14 bzw. 15, um ein ankommen­ des Signal in einen anderen Wellenleiter abzulenken.

Die Wellenleiter 11 und 12 können in herkömmlicher Weise ausgebildet sein und beispielsweise aus Kupfer oder Alu­ minium bestehen und mit Silber beschichtet sein. Die Kappe oder das Gehäuse 31, der Abstandshalter 30 sowie der Impedanzwandler 35 können beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sein.

Das Septum 27 kann aus einer dünnen Metallfolie, bei­ spielsweise einer Goldfolie oder einer goldplatierten Aluminiumfolie bestehen, deren Dicke je nach der Wellen­ länge zwischen 2,54 × 10^-3 mm und 1,778 × 10^-2 mm liegen kann. Für die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform be­ trägt die Dicke des Septums 27 vorzugsweise 1,016 × 10^-2 mm. Gold wird für das Septum 27 deswegen bevorzugt, weil es auf einfache Weise zu sehr dünnen Folien verarbeitet wer­ den kann und hämmerbar ist, um mechanischen Verformungen widerstehen zu können, die durch die Feder 41 hervorge­ rufen werden könnten. Ganz allgemein sollte das Septum 27 dünn genug sein, um eine gute magnetische Abschir­ mung zu ermöglichen und Radiofrequenz-Wirbelströme zu reduzieren. Auf der anderen Seite sollte die Folie dick genug sein, um eine Barriere für die durch die Wellen­ leiter 11 und 12 fließende RF-Energie zu bilden. Die Foliendicke sollte etwa das Vier- bis Fünffache der Ein­ dringtiefe für die Hochfrequenzwellen betragen.

Der Abstandshalter 26 sowie die Hülse 25 sollten aus einem verlustarmen Material mit niedriger Dielektrizi­ tätskonstante bestehen. Ein solches Material ist bei­ spielsweise Polytetrafluoräthylen.

Es ist zu bemerken, daß alle wesentlichen Bauteile der Verzweigung, d. h. die Ferritelemente 14, 15, 16 und 17, mit ihren zugehörigen Teilen rotationssymmetrisch aus­ gebildet sind. Daher ist die gesamte Wellenleiterver­ zweigung unempfindlich gegen eine Drehung und braucht nicht in eine bestimmte Stellung eingerastet zu werden, wie dies bei den bisher bekannten elektronischen Wellen­ leiterschaltern der Fall ist. Man braucht lediglich die Ferritelemente in der Mitte der Verzweigung anzuordnen, was leicht erreicht werden kann. Man erkennt, daß die beiden Schaltferritelemente 14 und 15 durch die Hülse 25 zusammengehalten werden. Daher bilden sie zusammen einen einzigen kompakten Baustein, der sich selbst aus­ richtet, da er lediglich in eine zentrale Öffnung zwi­ schen den Impedanzwandlern 35 eingesetzt zu werden braucht. Daher braucht auch die Wellenleiterverzwei­ gung nicht beispielsweise durch Epoxyharz verklebt oder gesichert zu werden. Das gleiche gilt für die Im­ pedanzwandler 35 zur Anpassung der Impedanzen. Die ge­ naue Form der Impedanzwandler hängt von den jeweiligen Impedanzen der Wellenleiter und der Verzweigung ab. Es ist dabei zu bemerken, daß die Wellenleiter 11 und 12 herkömmliche rechteckige Wellenleiter für die Ausbrei­ tung des Wellentyps H _1,0 sind.

Der in der Fig. 1 dargestellte Wellenleiterschalter arbeitet nach Art einer zweifachen Drehkreuzverzweigung, da es zwei Steuerferritelemente 16 und 17 sowie zwei Schalt­ ferritelemente 14 und 15 gibt. Dies liefert eine ausge­ zeichnete Bandbreite und reduziert die Schwierigkeiten mit der Impedanzanpassung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Hoch­ leistungsvorrichtung, und daher muß die beim Hochleistungs­ betrieb erzeugte Wärme abgeführt werden. Diese Wärme kann jedoch leicht durch direkte thermische Leitung abge­ führt werden, da die Ferritverzweigung von Metallteilen wie den Wellenleitern, den Impedanzwandlern 35, den Abstandshaltern 30 und den Kappen 31 umgeben ist. Der an die Magnetspule 20 angelegte Spannungsimpuls kann beispielsweise eine Spannung von 15 V haben und einen Kondensator mit einer Kapazität von 47 Mikrofarad laden oder entladen. Die Impulsdauer möge in der Größenord­ nung von 0,5 Millisekunden liegen, je nach Art des Auf­ baus der Impulsschaltung. Der Ferrit kann im Mikrosekun­ denbereich geschaltet werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung arbeitet in einem Frequenzbereich von 2 GHz bis mindestens 100 GHz und umfaßt somit den Mikrowellen- und Millimeterwellenbe­ reich. Es ist zu bemerken, daß die Funktionen des Schal­ tens sowie die Funktionen des Ablenkens und Verriegelns getrennt sind.

Es wurde oben erwähnt, daß das Steuerferritelement und seine Magnetspule Abmessungen besitzen, die nicht über einen bestimmten Wert hinaus verkleinert werden können. Beispielsweise sind am unteren Ende des Bereiches der Millimeterwellen die Abmessungen des Wellenleiters ver­ gleichbar mit der Dicke des Drahtes. Daher kann es im unteren Millimeterbereich notwendig werden, ein Steuer­ ferritelement vorzusehen, das beträchtlich größer ist als das Schaltferritelement. Eine derartige Konstruk­ tion ist in Fig. 2 dargestellt und soll nun im folgenden erläutert werden.

Fig. 2 zeigt nur den oberen Abschnitt des Schalters ein­ schließlich eines Gehäuses 70 aus einem geeigneten Ma­ terial. Das Gehäuse 70 besitzt einen oberen zylindri­ schen Abschnitt, der auf seiner Innenseite mit einem Ge­ windeabschnitt 71 versehen sein kann, in den ein eine Mittelöffnung aufweisender zylindrischer Deckel 72 ein­ schraubbar ist.

Das Steuerferritelement besteht aus zwei Teilen, einem oberen zylindrischen Teil 73 und einem unteren kegel­ stumpfförmigen Teil 74. Der obere zylindrische Teil 73 besitzt wiederum eine zylindrische Vertiefung 75, in der eine Magnetspule 74 angeordnet ist. Die Anschluß­ drähte 75 dieser Magnetspule 74 erstrecken sich durch zwei Bohrungen 76 mit kreisförmigem Querschnitt. Um die Teile 73 und 74 des Steuerferritelementes abwärts zu drücken, ist eine Feder 77 vorgesehen, die an der obe­ ren Endfläche des Teiles 73 des Steuerferritelementes anliegt und durch den Deckel 72 niedergedrückt wird.

Der kegelstumpfförmige untere Teil 74 des Steuerferrit­ elementes liegt an dem Schaltferritelement 80 an, das durch einen dielektrischen Abstandshalter 81 von einem anderen Schaltferritelement 82 der zweifachen Dreh­ kreuzverzweigung getrennt ist. Ein Impedanzanpassungs­ wandler 83 ist in den unteren Abschnitt des Gehäuses 70 eingeschraubt. Die beiden Ferritelemente 80 und 74 sind wiederum voneinander durch eine Metallfolie 85 getrennt, die beispielsweise von einer Goldfolie gebildet sein kann.

Man erkennt nun, daß die Flußdichte, die von dem zylindri­ schen Teil 73 des Steuerferritelementes erzeugt wird, aufgrund der kegelstumpfförmigen Gestalt des anderen Teiles 74 des Steuerferritelementes ansteigt.

Der kegelstumpfförmige Teil 74 des Steuerferritelementes ist mit einer inneren kegelstumpfförmigen Aussparung 86 versehen, die dazu dient, den Magnetfluß in das Schalt­ ferritelement 80 einzuleiten. Die kegelstumpfförmige Aussparung 86 kann an ihrem oberen und an ihrem unte­ ren Ende durch ein dielektrisches Material 87 und 88 verschlossen sein, das beispielsweise von Epoxyharz ge­ bildet sein kann.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform ist insbeson­ dere für hohe Frequenzen geeignet, d. h. beispielsweise für Frequenzen zwischen 26 und 100 GHz. Es versteht sich, daß die Ausführungsform gemäß Fig. 3 im wesentlichen in derselben Weise arbeitet wie jene in Fig. 1.

Vorstehend wurde ein elektronischer Wellenleiterschalter beschrieben, der außerordentlich einfach im Aufbau ist.

Er ist einer theoretischen Analyse zugänglich und kann daher ohne Mühe maßstäblich vergrößert oder verkleinert werden. Er weist ein Steuerferritelement und eine Ma­ gnetspule auf, die außerhalb des Radiofrequenzkreises liegen. Er ermöglicht die Übertragung eines breiten Fre­ quenzbandes und weist einen geringen Einfügungsverlust, ein ausgezeichnetes Stehwellenverhältnis und eine gute Isolierung zwischen den einzelnen Wellenleitern auf. Er kann bei Frequenzen bis zu 100 GHz und höher verwendet werden.

Claims (8)

1. Elektronischer Wellenleiterschalter mit

• - einem Gehäuse (70), das zumindest drei Anschlüsse für Wel­ lenleiter aufweist,
• - ersten und zweiten schaltbaren Verzweigungsferritelementen (80, 82) im Gehäuse,
• - ersten und zweiten Steuerelementen (73, 74),
• - ersten und zweiten Magnetspulen (84), welche die Steuer­ elemente zumindest teilweise umgeben, und dann, wenn ein Signal an einem ersten Anschluß ansteht und zumindest eine der Magnetspulen erregt ist, das Signal zu einem zweiten Anschluß gelenkt wird, wobei
• - die Steuerelemente (73, 74) aus Ferrit bestehen und in ih­ nen jeweils eine ringförmige Ausnehmung (75, 86) vorgese­ hen ist, in der eine Magnetspule (84) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die ersten und zweiten Verzweigungsferritelemente (80, 82) durch ein Dielektrikum (81) getrennt sind,
• - zwischen dem ersten Verzweigungsferritelement (80) und dem ersten Steuerelement (73) ein erster Leiter (85) und zwi­ schen dem zweiten Verzweigungsferritelement (82) und dem zweiten Steuerelement ein zweiter Leiter angeordnet ist, und daß
• - diejenigen Abschnitte (74) der ersten und zweiten Steuer­ elemente, welche den ersten und zweiten Verzweigungs­ ferritelementen (80, 82) benachbart sind, kegelstumpfför­ mig ausgebildet sind, und jeweils in einer Stirnfläche enden, die einen größeren Umfang hat als die benachbarte Oberfläche des zugeordneten Verzweigungsferritelementes (80, 82).

2. Elektronischer Wellenleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den kegelstumpfförmig ausgebildeten Abschnitten der Steuerelemente jeweils eine kegelstumpfförmige Aussparung (86) vorgesehen ist.

3. Elektronischer Wellenleiterschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelstumpfförmige Aussprung (86) an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende durch ein dielektrisches Material (87, 88) verschlossen ist.

4. Elektronischer Wellenleiterschalter nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch erste und zweite Impedanzwandler (83), die die ersten und zwei­ ten Verzweigungsferritelemente (80, 82) an die zugehörigen An­ schlüsse ankoppeln.

5. Elektronischer Wellenleiterschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Impedanzwandler eine ringförmige Ausnehmung aufweist, die zur Impedanzanpassung benachbart dem zugehörigen Verzwei­ gungsferritelement angeordnet ist.

6. Elektronischer Wellenleiterschalter nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Feder (77) das erste Steuerelement (73) in Richtung auf das erste Verzweigungselement (80) vorgespannt ist, so daß keine wesentlichen Luftspalte zwischen den Verzwei­ gungs- und Steuerelementen sowie den Leitern entstehen.

7. Elektronischer Wellenleiterschalter nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Verzweigungsferritelemente (80, 82) einen Betrieb mit relativ hohen Leistungen aushalten, während die ersten und zweiten Steuerelemente (73, 74) eine hohe Koer­ zitivkraft aufweisen.