DE3044774A1 - Ferrit-differentialphasenschieber - Google Patents

Description

ITALTEL s.p.a.

Piazzale Zavattari 12

Milano/Italien

Ferrit-Differential phasenschieber

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ferrit-Di fferential phasenschieber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Phasenschieber verursachen bekanntlich eine Dämpfung und eine von der Energieausbreitungsrichtung im Hohlleiter abhängige Phasenverschiebung des die Anordnung durchlaufenden Feldes, wobei sowohl die Dämpfung als auch de Phasenverschiebung zu der Länge des Differentialphasenschiebers proportional sind. Die Dämpfung bleibt praktisch nur bis zu einem für den verwendeten Ferritkern charakteristischen kritischen Wert des Magnetfeldes im Ferrit konstant, bei dessen Überschreitung sie rasch ansteigt. Dieser Umstand verhinderte bisher den Einsatz ferritischer Phasenschieber in Mikrowellenschaltungen, bei denen hohe Leistungen auftreten, wie namentlich in Zirkulatoren oder Abstimmeinrichtungen für Leistungsmagnetrons.

Bekannte Phasenschieber bestehen aus einer rechteckigen Hohlleiterstrecke, in welche ein toroidförmiges Ferritelement eingesetzt ist, das durch einen Strom magnetisiert wird, der in einem in die zentrale Bohrung des Ferritelements eingesetzten Draht fließt. Die von dem elektromagnetischen Feld, das das Ferritelement durchsetzt, unter Abgabe eines Teils seiner Energie induzierte Wechselmagnetisierung darf den erwähnten kritischen Wert nicht überschreiten, wodurch eine Leistungsgrenze des im Hohlleiter vorhandenen Feldes gegeben ist. Die von dem elektromagnetischen Feld an das Ferritelement abgegebene Energie wird

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wenigstens teilweise in Wärme umgewandelt, die abgeführt werden muß, damit Ferritschäden vermieden werden. Zu diesem Zweck werden an den Seiten des Ferritelements zwei dielektrische Teile mit guter Wärmeleitung angeordnet, durch die sich aber - ebenso wie durch die ausgeprägten dielektrischen Eigenschaften des Ferrits - die äquivalente Breite des Hohlleiters erhöht, so da3 auch die Ausbreitung höherer Wellentypen möglich wird. Zu deren Unterdrückung war es deshalb bisher unerläßlich, längs der Hohlleiterseitenwände absorbierendes Material anzubringen. Aus diesen Gründen ist ein Ferrit-Differential phasenschieber der bekannten Art eine komplizierte, in der Herstellung aufwendige Vorrichtung, bei der genaue Grenzen bezüglich der Leistung der durchlaufenden elektromagnetischen Signale zu beachten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differentialphasenschieber anzugeben, der einfacher ist als bisher und für Mikrowellenkreise besonders hoher Leistung geeignet ist wie beispielsweise für ein Leistungsmagnetron.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung werden die Nachteile der bekannten Phasenschieber dank eines Aufbaus behoben, in welchem die Ferritkerne so außerhalb des Hohlleiters liegen, daß sie dessen Eigenschaften praktisch nicht verändern, mit dem in dem Hohlleiter vorhandenen Feld jedoch in an sich bekannter Weise gekoppelt sind. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß jeder Ferritkern nur von einem Bruchteil der Energie des in dem Hohlleiter vorhandenen .Feldes betroffen ist, wobei dieser Bruchteil durch entsprechende Bemessung und Ausbildung der zur Kopplung dienenden Verbindungskonstruktion so bestimmt werden kann, daß die Ferritmagnetisierung den erwähnten kritischen Wert mit Sicherheit nicht überschreitet. Ferner vereinfacht die Lage der Ferritkerne an der Außenseite des Hohlleiters die Kühlung und macht dielektrisches Material und/oder absorbierende Mittel innerhalb des Hohlleiters selbst überflüssig. Der hier beschriebene Differential phasenschieber eignet sich insbesondere für sich im Hohlleiter fortpflanzende Signale vom Wellentyp TE₁₀.

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An einem nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Hohlleiter mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Phasenschieber; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Hohlleiterstrecke mit einer Anzahl von Phasenschiebern der hier beschriebenen Art.

Bekanntlich befinden sich im Querschnitt eines Rechteckhohlleiters stets zwei zur Hohlleitermitte symmetrisch liegende Ebenen, in welchen das Magnetfeld der sich ausbreitenden Energie mit gleicher Stärke, aber in entgegengesetzten Richtungen zirkularpolarisiert ist, die bei Umkehrung der Energieausbreitungsrichtung im Hohlleiter ebenfalls umgekehrt werden. Wie in Fig. 1 dargestellt ist_} sind erfindungsgemäß bei dem hier beschriebenen Differential phasenschieber in Übereinstimmung mit diesen Ebenen an der Außenwand 1 des Wellen- oder Hohlleiters 2 zwei Ferritkerne 3 angebracht, die durch Irisblenden 4 mit dem im Hohlleiter 2 vorhandenen Feld gekoppelt sind. Die Mittelpunkte dieser Koppel-Irisblenden befinden sich in dem Bereich, wo das Magnetfeld im Hohlleiter zirkularpolarisiert ist. Die Ferritkerne sind metallisiert und an Buchsen 5 angeschweißt oder angelötötv die ihrerseits mit der Außenwand 1 verschweißt bzw. verlötet sind.

Durch Verändern der Bemessung der Irisblende 4 und/oder des zwischen dem Hohlleiter 2 und dem Ferritkern 3 liegenden Luftbereiches 6 , also der Entfernung der Irisblende vom Ferritkern, ist die Kopplung zwischen Hohlleiter und Ferritkern und somit die Leistung des den Ferritkern beaufschlagenden Signals so einstellbar, daß die Ferritmagnetisierung ihren kritischen Wert selbst dann nicht überschreitet, wenn das Feld im Hohlleiter sehr hoch ist.

Die Wicklungen 7 an den Ferritkernen 3 erzeugen zwei gleich große kontinuierliche Magnetfelder entgegengesetzter Richtung. Zur Er-

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höhung der Magnetfeldstärke bei gegebenem Magnetisierungsstrom, also des Wirkungsgrades des Phasenschiebers soll ein geschlossener Magnetkreis vorhanden sein, weshalb der Bereich zwischen den Buchsen 5 bzw. die ganze Außenwand % aus Eisen (oder einem gleichwertigen Material) besteht und die Ferritkerne 3 über das Joch 8 aus entsprechendem Material verbunden sind. Vorzugsweise ist ferner die Außenfläche der Ferritkerne vollständig metallisiert» damit sich eine kontinuierliche elektrische Verbindung mit dem Hohlleiter ergibt. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, den Ferritkern in einen mit der Buchse 5 verlöteten Metallbehälter einzusetzen, auf dem die Wicklung 7 angeordnet ist.

Die Ferritkerne 3 sind leichter zu kühlen als bei bekannten Konstruktionen, da sie außen am Hohlleiter 2 angebracht sind. Falls die Wärmeableitung an die Luft nicht genügen sollte, ist es möglich, die Ferritkerne mit einem Metallmantel zu bedecken, der mit dem Hohlleiter so verschweißt oder verlötet ist, daß ein geschlossener Kanal entsteht, in welchem ein Kühlmittel zirkuliert. Dies kann z.B. Luft sein oder, falls der Phasenschieber mit einem Leistungsmagnetron verbunden ist, das zur Kühlung des Magnetrons verwendete Kühlmittel.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel induziert das im Hohlleiter 2 an der rechten Irisblende 4 vorhandene, rechtslaufend zirkularpolarisierte Feld im betreffenden Ferritkern 3 ein ebenfalls rechtslaufendes Feld, das sich im Ferrit ausbreitet und vollkommen durch ein entsprechendes Abschlußende reflektiert wird, das z.B. durch Metallisieren des der Irisblende abgewendeten Ferritkernendes gegeben ist. Da beide Felder, nämlich das direkte und das reflektierte Feld rechtslaufend sind, erfahren sie eine in der Amplitude und im Vorzeichen gleiche Phasenverschiebung durch die Wirkung des Feldes im Hohlleiter, welches von dem im Ferritkern durch die Wicklung 7 erzeugten Feld induziert wird. Das in dem Hohlleiter von dem reflektierten Feld induzierte, ebenfalls rechtslaufende Feld ist gegenüber dem induzierenden Feld phasenverschoben, wobei es sich mit diesem in Ausbreitungsrichtung summiert, ohne Reflexwellen zu verursachen. Entsprechendes gilt für den anderen

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Ferritkern. Da in dem in Fig. 1 linken Teil sowohl die Drehrichtung der zirkularpolarisierten Felder als auch diejenige des von der Wicklung induzierten Feldes anders ist als im rechten Teil, sind die Wirkungen der beiden Kerne jedes Paares auf das in dem Hohlleiter vorhandene Feld übereinstimmend und einander überdeckend.

Bekanntlich wird durch einen Ferritkern, der von einem kontinuierlichen Magnetfeld längspolarisiert ist, in einem Hochfrequenzfeld, dessen Magnetkomponente zirkularpolarisiert ist, eine Phasenverschiebung eingeführt, die von der Richtung der Zirkularpolarisation abhängt. Wird die Energieausbreitungsrichtung im Rechteckhohlleiter umgekehrt, so werden auch die in den Ferritkernen 3 induzierten Felder in der- Polarisation umgekehrt, und entsprechend ändert sich die vom Phasenschieber eingeführte Phasenverschiebung.

Die zwischen Hohlleiter und Ferritkern gebildete Kopplung gestattet einen Betrieb der Ferritkerne unter ihrem kritischen Wert selbst bei hoher Hohlleiterleistung, doch wird gleichzeitig das Ausmaß der Felder beschränkt, die im Hohlleiter von den durch die beiden Ferritkerne reflektierten Felder induziert werden, wodurch die von einem Ferritkernpaar am Hohlleiterfeld verursachte Phasenverschiebung herabgesetzt wird. Ein Phasenschieber der hier beschriebenen Art enthält daher vorzugsweise mehrere Ferritkernpaare. Die optimale Anzahl dieser Paare ist jeweils in Abhängigkeit von der im Hohlleiter vorhandenen Leistung, von der gewünschten Phasenverschiebung, von den Eigenschaften der Ferritkerne und der Wicklungen 7, von dem in den Wicklungen fließenden Magnetisierungsstrom usw. festzulegen.

In Fig. 2 ist eine Phasenschieberstrecke dargestellt, die aus mehreren Ferritkernpaaren besteht. Zur besseren Übersicht sind hier die Joche 8, der gegebenenfalls vorhandene Mantel für den Kühlmittel kanal und die Anschlüsse der Wicklungen 7 zur Verbindung der Wicklungen miteinander und mit einem (ebenfalls nicht dargestellten) Stromgenerator weggelassen.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Kernpaaren gleich λ/4 , also gleich einem Viertel der Wellenlänge des Grundtyps. Dadurch können die regressiven (d.h. im Hohlleiter entgegengesetzt zum Hauptfeld gerichteten) Komponenten beseitigt werden, die im Hohlleiter durch das reflektierte Feld dadurch angeregt werden, daß im Ferrit das Feld leicht elliptisch ist, da die zur Kopplung dienende Verbindungskonstruktion im Ferrit außer dem im Hohlleiter vorhandenen Grundtyp auch höhere Wellentypen anzuregen gestattet.

Die Wicklungen 7 jedes Paares sind mit einem Stromgenerator verbunden. Soll das in den Ferritkernen erzeugte Magnetfeld konstant bleiben bzw. sich langsam ändern, können die Wicklungen jedes Paares in Reihe geschaltet sein. Wird hingegen verlangt bzw. vorausgesetzt, daß sich das Feld rasch ändert, ist es zweckmäßig, die Wicklungen parallel an den Generator zu schalten, damit die Induktivität des Magnetisierungskreises herabgesetzt wird. In entsprechender Weise können die gleichnamigen Wicklungen aller Ferritkernpaare des Phasenschiebers in Reihe oder vorzugsweise zueinander parallel geschaltet werden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind Ferritkerne nur auf einer der langen Seiten des Hohlleiters angebracht. Im Rahmen der Erfindung können die Ferritkerne aber auch auf beiden Längsseiten angeordnet werden, wodurch die Leistungsfähigkeit des Different!al phasenschieber verbessert werden kann. Abweichend von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Kerne jedes Paares im gleichen Abschnitt oder Querschnitt senkrecht zur Symmetrieachse des Hohlleiters angeordnet sind, ist es ferner möglich, die Kerne jedes Paares an zwei verschiedenen Abschnitten oder Querschnittsebenen anzuordnen, gegebenenfalls unter Beibehaltung des Abstandes λ/4 zwischen den gleichnamigen Kernen der Paare.

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   JFerrit-Differentialphasenschieber für Mikrowellensignale hoher Leistung mit einer einem RechteckhohHeiter zugeordneten Ferritanordnung, die durch insbesondere einen elektrischen Stromleiter enthaltende Mittel magnetisierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite des Hohlleiters (2) an mindestens einer seiner im Querschnitt längs verlaufenden Wände (1) symmetrisch zur Mittel- bzw. Symmetrieachse des Hohlleiters (2) mindestens ein Paar von gleich ausgebildeten Ferritkernen (3) angeordnet ist, daß eine Verbindungskonstruktion (4,5) vorgesehen ist, welche die Ferritkerne (3) mit dem in dem Hohlleiter (2) befindlichen Feld koppelt, und daß die Magnetisierungsmittel (7) in den beiden Ferritkernen (3) jedes Paares kontinuierliche Magnetfelder gleicher Stärke und entgegengesetzter Richtung erzeugen.

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2. 2. Ferrit-Differentialphasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskonstruktion jedes Kernes (3) zur Kopplung mit dem Feld im Hohlleiter (2) aus einer Irisblende (4) und einer an der Außenwand (1) des Hohlleiters (2) angeschweißten oder angelöteten Buchse (5) besteht..
3. 3. Ferrit-Differential phasenschieber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ferritkern (3) an seiner Außenseite metallisiert und mit einer der Buchsen (5) verschweißt oder verlötet ist.
4. 4. Ferrit-Differentialphasenschieber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ferritkern (3) in einen mit einer der Buchsen (5) verschweißten oder verlöteten Metallbehälter eingesetzt ist.
5. 5. Ferrit-Differentialphasenschieber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskonstruktion (4, 5) an einem Bereich des Rechteckhohneiters (2) angeordnet ist, wo das Magnetfeld im Hohlleiter zirkularpolarisiert ist.
6. 6. Ferrit-Differential phasenschieber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Paare von Ferritkernen (3) vorhanden sind und der Abstand zwischen diesen Paaren einem Viertel der Wellenlänge des Wellengrundtyps (λ/4) entspricht.
7. 7. Ferrit-Differentialphasenschieber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsmittel aus zwei spulenartigen Wicklungen (7) gleicher Windungszahl, von denen jede auf je einen der Ferritkerne (3) des Paares gewickelt ist, und aus einem zur Lieferung des Magnetisierungsstromes an die Wicklungen (7) angeschlossenen Stromgenerator bestehen.

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8. 8. Ferrit-Differentialphasenschieber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkerne (3)
   jedes Paares über ein Joch (8) miteinander verbunden sind, und daß mindestens der Bereich zwischen den Buchsen (5) der Außenwand (1) des Hohlleiters (2) aus einem Material guter magnetischer Permeabilität besteht.
9. 9. Ferrit-Differentialphasenschieber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Paare von Ferritkernen (3) vorhanden sind und ein Metallmantel vorgesehen
   ist, der zur Bildung eines Kanals für einen Kühlmittelkreislauf für die Ferritkerne (3) an dem Hohlleiter (2) angeschweißt oder angelötet ist und sich auf den Ferritkernen (3) abstützt, und daß die zwischen den
   Ferritkernen (3) jedes Paares liegenden Teile dieses Mantels die Joche (8) bilden.

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