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"Zirkulator in Finleitungstechnik"
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Die Erfindung betrifft einen Zirkulator in Finleitungstechnik mit
wenigstens drei durch Schlitze in einer ersten metallischen Schicht auf einem Substrat
gebildeten Wellenleitern und einem mit den Wellenleitern verbundenen Ferritresonator,
der zwischen der ersten metallischen Schicht und einer parallel dazu angeordneten
zweiten metallischen Schicht positioniert ist.
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Zirkulatoren, die heute zu den vielseitigsten und am häufigsten eingesetzten
Komponenten der Mikrowellentechnik gehören, werden üblicherweise in Standard-Hohlleiter-
oder Mikrostreifenleitungs-Technik ("Microstrip") realisiert. Zirkulatoren haben
die Eigenschaft, auf sternförmig auf die Resonatoren zulaufenden Wellenleitern ankommende
elektromagnetische Zellen selektiv auf einen in einer vorgegebenen Drehrichtung
benachbarten Wellenleiter zu übertragen und die Übertragung auf die anderen Wellenleiter
zu verhindern. Resonanztyp- oder Y-Zirkulatoren haben im Kreuzungspunkt der Wellenleiter
einen Ferritresonator, der diese selektive Übertragung bewirkt. Hierzu ist es erforderlich,
das in dem Ferritresonator angeregte Schwingungsfeld durch Einfluß eines Magnetfeldes
zu drehen.
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Die Finleitungstechnik ist eine seit einigen Jahren bekannte neue
Schaltungstechnik, die sich besonders gut zur Realisierung
integrierter
Mikrowellen- und Millimeterwellen-Schaltungen eignet. Die Wellenleiter in der Finleitungstechnik
bestehen aus einer in die Metallbeschichtung eines dielektrischen Substrats geätzten
Schlitzstruktur, die von einem Rechteckhohlleiter als Gehäuse umgeben ist.
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Im einfachsten Fall, dem der unilateralen Finleitung, befindet sich
nur ein Schlitz in einer einseitig auf ein Substrat aufgebrachten Metallschicht.
Die Finleitungstechnik besitzt alle Vorteile der Mikrostreifenleitungs-Technik,
nicht aber deren Nachteile wie Leistungsverluste, Abstrahlung und ungünstige Abmessungen
bei hohen Frequenzen. Es ist gelungen, fast alle passiven und aktiven Schaltungskomponenten
in der Finleitungstechnik mit für die praktische Anwendung ausreichenden Eigenschaften
zu realisieren. Nicht gelungen ist dies jedoch für nicht-reziproke Komponenten,
wie Zirkulatoren und Richtungsleitungen. In der Praxis mußten daher für die Verwendung
von Zirkulatoren Anpassungsglieder verwendet werden, die einen Übergang aus der
Finleitungstechnik in die in anderer Schaltungstechnik aufgebauten Zirkulatoren
ermöglichte. Hierfür ist ein zusätzlicher Aufwand erforderlich, außerdem entstehen
nicht unbedeutende Anpassungsprobleme durch hierbei unvermeidbare Reflexionen.
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Aus der Zeitschrift "El. Letters", 1981, Seiten 701 f., ist ein Finleitungs-Zirkulator
bekannt, bei dem drei Wellenleiterschlitze sternförmig in radialer Richtung auf
den Ferrit-Resonator treffen. Der im Querschnitt kreisförmige Ferritresonator liegt
mit seiner einen Kreisfläche auf dem darunter nicht metallisierten Substrat auf,
während die andere Kreisfläche durch eine Metallfläche bedeckt wird. Dieser Zirkulator
weist keine für praktische Anwendungen ausreichenden Eigenschaften auf. Die geforderte
Sperrdämpfung von mehr als 20 dB wurde unter Verwendung von #/4-Transformatoren
für 10 % Bandbreite erreicht. Die in anderen Schaltungstechniken aufgebauten Zirkulatoren
erreichen eine derartige Sperrdämpfung über eine Bandbreite von 35 %.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zirkulator der eingangs
erwähnten Art zu erstellen, der mit den Zirkulatoren in herkömmlicher Schaltungstechnik
vergleichbare Eigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Verbindungsstelle
der Wellenleiterschlitze mit dem Ferritresonator eine Längskante des jeweiligen
Wellenleiterschlitzes näher dem Mittelpunkt des Ferritresonators ist als die andere
Längskante.
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Dies bedeutet, daß die Kopplung zwischen den Wellenleiterschlitzen
und dem Ferritresonator nicht frontal zu den Wellenleiterschlitzen erfolgt, sondern
ausschließlich oder zumindest überwiegend in seitlicher Richtung. Die Wellenleiterschlitze
erstrecken sich über eine gewisse Länge am Umfang des Ferritresonators entlang,
wobei die im Wellenleiterschlitz geführte Welle seitlich auf den Ferritresonator
übergeht.
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Die Kopplung ist am günstigsten, wenn sich die Wellenleiterschlitze
geradlinig tangential zum Ferritresonator erstrecken.
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Aufgrund der Feldverteilung in den Wellenleiterschlitzen unter dem
Einfluß des Ferrits ist es vorteilhaft, wenn der Ferritresonator den Wellenleiterschlitz
bis zu dessen Mitte überlappt.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Wellenleiterschlitze
über die Verbindung zum Ferritresonator herausragende Enden aufweisen. Die kurzgeschlossenen
Enden der Wellenleiterschlitze können bei geeigneter Dimensionierung gewisse parasitäre
Kopplungsreaktanzen kompensieren, die am Rande des Betriebsfrequenzbandes auftreten
und damit eine Vergrößerung der Bandbreite bewirken.
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Der erfindungsgemäße Finleitungs-Zirkulator erreicht seine gewünschten
Werte
ohne Anpassungsglieder, was seine praktische Anwendung erheblich fördert.
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Vorzugsweise wird die zweite metallische Schicht durch ein Teil des
Gehäuses des Zirkulators gebildet. Dabei kann das die zweite metallische Schicht
enthaltende Gehäuseteil als justierbarer Stempel ausgebildet sein, in dem ein Permanentmagnet
angeordnet ist. Auf diese Weise läßt sich einfach und kompakt der komplette Zirkulator
aufbauen, indem der für den Ferritresonator benötigte Permanentmagnet in dem Stempel
untergebracht ist.
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Der erfindungsgemäße Finleitungs-Zirkulator kann auf einem üblichen
Substrat, wie z.B. glasfaserverstärktem PTF (Polytetrafluoräthylen) gebildet sein.
Es kann aber auch vorteilhaft keramisches Substrat verwendet werden, wobei der Ferritresonator
durch einen Sinterungsprozeß bei der Herstellung der Keramik hergestellt werden
kann.
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Eine besonders kompakte und stabile Ausführungsform läßt sich auch
erstellen, wenn das die erste metallische Schicht tragende Substrat aus gyromagnetischem
Material gebildet ist, das in einem von den Wellenleiterschlitzen eingerahmten Bereich
magnetisiert ist.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen: Figur 1 a) die Feldverteilung
der in einem Ferritresonator von einem Wellenleiterschlitz angeregten Grundschwingung
ohne Gleichmagnetfeld Figur 1 b) die Feldverteilung in der Anordnung aus Figur 1
a) mit Gleichmagnetfeld Figur 2 eine Darstellung der Feldverteilung einer Finleitungs-Grundwelle
Figur 3 eine Darstellung der Feldverteilung am Verbindungspunkt zwischen Wellenleiterschlitz
und Ferritresonator Figur 4 a) eine Schemazeichnung eines Finleitungs-Zirkulators
mit Lundem Ferritresonator mit Anpassungsgliedern für Standard-Hohlleiter Figur
4 b) die Anordnung aus Figur 4a) mit dreieckigem Ferrit-Re sonator Figur 5 einen
Querschnitt durch einen Finleitungs-Zirkulator mit Gehäuse und abstimmbaren Ferritresonator
Figur 6 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer in das Substrat
integrierten Ferritscheibe Figur 7 eine schematische Darstellung einer Anordnung
mit einem gyromagnetischen Substrat.
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In Figur 1 sind drei Wellenleiterschlitze 1 drehsymmetrisch zu einem
runden Ferritresonator 2 angeordnet. Die geraden Schlitze liegen tangential zur
Umfangslinie des Ferritresonators 2 und werden von diesem jeweils bis zur Hälfte
ihrer Breite überdeckt.
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Die Schlitze 1 stellen sich als Ausnehmungen in einer flächigen ersten
Metallschicht 3 dar. Auf dieser Metallschicht 3 ist auch der Ferritresonator 2 angeordnet.
Dieser wird von einer kreisrunden zweiten Metallschicht 4 abgedeckt, die einen größeren
Durchmesser als der Ferritresonator 2 aufweist und in Figur 1 gestrichelt dargestellt
ist.
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Die drei Wellenleiterschlitze 1, die in einem Winkel von 1200 zueinander
stehen, werden auch als "Tor A", "Tor B" und "Tor C" bezeichnet.
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Wie noch näher zu erläutern sein wird, entspricht das in dem Ferritresonator
2 angeregte elektromagnetische Feld im wesentlichen dem Feld eines Mikrostreifenleitungs-Zirkulators,
da das durch die Wellenleiterschlitze 1 angeregte Feld im wesentlichen dem durch
einen Streifenleiter 5 angeregten Feld sehr ähnlich ist, der sich vom Verbindungspunkt
6 zwischen Schlitz 1 und Ferritresonator 2 geradlinig in radialer Richtung erstreckt.
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Der Streifenleiter 5 ist in Figur 1 a) schraffiert dargestellt, um
die Äquivalenz zu verdeutlichen. In der realen Ausführung ist der Streifenleiter
5 selbstverständlich nicht vorhanden.
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Der Feldverlauf ist in Figur 1 für das elektrische Feld E und für
das magnetische Feld H dargestellt. Das elektrische Feld verläuft im wesentlichen
geradlinig senkrecht zur Zeichenebene von der ersten Metallschicht 3 zur zweiten
Metallschicht 4. Die magnetischen Feldlinien in der Zeichenebene verlaufen symmetrisch
zu einer Durchmesserlinie und sind nach außen hin derart gekrümmt, daß sie senkrecht
auf die Umfangsfläche des Ferritresonators 2 stoßen.
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Nach Anlegen eines Gleichmagnetfeldes bestimmter Stärke dreht sich
das vom Tor A im Ferritresonator 2 angeregte elektromagnetische Feld in der Weise,
daß die Symmetrieachse des Magnetfeldes senkrecht zum Wellenleiterschlitz 1 des
Tor C steht. Damit ergibt sich eine Kopplung des elektromagnetischen Feldes vom
Tor A zum Tor B, während das Tor C gesperrt ist.
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Bei einer Anregung des Ferritresonators 2 durch das Tor B würde sich
eine Übertragung zum Tor C, nicht aber zum Tor A ergeben.
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Die Übertragung geschieht daher zwischen den Wellenleiterschlitzen
1 in mathematisch positiver Richtung. Das bedeutet z.B., daß das Tor B eine elektromagnetische
Welle vom Tor A empfangen kann, nicht aber in entgegengesetzter Richtung wieder
übertragen kann. Die Übertragung ist vom Tor B nur zum Tor C möglich.
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Die Erläuterung der Anregung des Ferritresonators 2 durch ein in einem
Wellenleiterschlitz 1 in Figur 1 transportiertes Feld soll im folgenden anhand der
Figuren 2 und 3 erfolgen.
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Figur 2 zeigt das aus dem elektrischen Feld E und dem magnetischen
Feld H zusammengesetzte elektromagnetische Feld, das sich in einem Wellenleiterschlitz
1 in z-Richtung fortbewegt.
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Der Wellenleiterschlitz 1 ist durch eine Ausnehmung in einer Metallschicht
3 auf einem Substrat 7 gebildet. Das E-Feld liegt transversal zur Ausbreitungsrichtung.
Es ist vorwiegend in dem Schlitz 1 bei hoher Dielektrizitätszahl des Substrats 7
konzentriert. Das magnetische Feld bildet geschlossene Ringe, die längs der Schlitz
achse in der x-z-Ebene liegen und außerhalb der Schlitzmitte auf um die Schlitzkanten
gekrümmten Flächen angeordnet sind
Am Verbindungspunkt 6 zwischen
dem Wellenleiterschlitz 1 und dem Ferritresonator 2 entsteht ein Feldverlauf, wie
er in Figur 3 dargestellt ist. Wegen der hohen relativen Dielektrizitätszahl des
Ferrits ( # 15) wird dem Schlitz 1 ein wesentlicher Teil des elektrischen Feldes
entzogen und im Ferrit konzentriert. Da für die Metallflächen 3 und 4 die Bedingung
Etan = 0 gilt, richtet sich das elektrische Feld auf, so daß das elektrische Feld
in den Koordinaten der Figur 2 nahezu ausschließlich E -Komponenten aufweist. Die
Hx-Komponenten im Ferritresonator 2 verschwinden nahezu vollständig, so daß die
H-Feldlinien hier Schleifen in der y-z-Ebene bilden. Dieses Feld deckt sich weitgehend
mit demjenigen der Ferritresonator-Grundschwingung in Figur 1 a). Das ist der Grund,
weswegen bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Ferritresonator-Grundschwingung
sehr gut angeregt wird, so daß eine starke Kopplung erreicht wird.
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Ohne Gleichmagnetfeld werden die Schlitze "Tor B" und "Tor C" in Figur
1 a) aufgrund der Sy :netrie des Feldbildes gleich stark angeregt. Wird ein Gleichmagnetfeld
Hi angelegt (Figur 1 b) ), ergibt sich aufgrund der gyromagnetischen Eigenschaften
des Ferrits analog zum Mikrostreifenleitungs-Zirkulator eine Verdrehung des angeregten
Feldbildes, die der Gleichmagnetfeldrichtung im Linksschraubensinne zugeordnet ist.
Mit der Feldstärke H. läßt sich der Verdrehwinkel so einstellen, daß auf einem der
abgehenden Schlitze (Tor C) keine ausbreitungsfähigen Eigenwellen angeregt werden.
Demzufolge ist in Figur 1 b) Tor C von Tor A isoliert, während Tor B verstärkt angeregt
wird.
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Für optimale Zirkulatoreigenschaften ist die Impedanzanpassung aller
Wellenleiterzugänge im ganzen Betriebsfrequenzband wesentlich. Hierfür ist eine
in Figur 1 b) angedeutete Feldverzerrung, d.h. Beteiliqung weiterer Eigenschwinqungen,erforderlich.
Auf
Seite der Wellenleiterschlitze 1 ist dies durch die richtige
Wahl der Schlitzbreite und der Länge des Koppelbereiches möglich.
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Durch ein überstehendes Ende der Länge 1 des Wellenleiterschlitzes
1 über den Verbindungspunkt 6 hinaus kann eine weitere Anpassung vorgenommen werden.
Weiterhin ist möglich, im Bereich des Ferritresonators 2 eine allmähliche Aufweitung
des Schlitzes 1 vorzusehen, um die gegenseitige Anpassung der Schlitze 1 und der
Resonatorfelder zu unterstützen.
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Figur 4 a) zeigt die in den Figuren 1 und 3 dargestellte Zirkulatoranordnung
mit Übergangselementen 8 auf Standard-Hohlleiter 9.
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In den Übergangselementen 8 wird die in den Standard-Hohlleitern 9
geleitete Welle zu einer Finleitungswelle umgeformt, wie sie in Figur 2 dargestellt
ist. Das Übergangselement 8 enthält daher eine Übergangstruktur 10, die in den Wellenleiterschlitz
1 übergeht.
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Während Figur 4 a) einen runden Ferritresonator 2 zeigt, ist in Figur
4 b) die gleiche Anordnung mit einem dreieckigen Ferritresonator 2' dargestellt.
Wesentlich ist nur die n-fach symmetrische Ausbildung für n Wellenleiter.
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Selbstverständlich können die Anpassungselemente 8 entfallen, wenn
der Zirkulator in eine Finleitungsschaltung eingesetzt wird.
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Der Platzbedarf des Finleitungs-Zirkulators ist daher nur durch den
Durchmesser des Resonators 2, 2' und die Länge der Wellenleiterschlitze 1 bis zur
nächsten Schaltungskomponente bestimmt.
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Die Länge der Wellenleiterschlitze 1 muß so groß sein, daß höhere,
nicht ausbreitungsfähige Eigenwellen abgeklungen sind.
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Die Finleitungsstruktur kann einfach und kostengünstig durch ein fotolithographisches
Verfahren, beispielsweise auf handelsüblichem kupferkaschiertem Teflon-Substrat
7, hergestellt werden.
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Hierbei ist die unilaterale Struktur von besonderem Vorteil, da sie
unkritisch bezüglich mechanischer Toleranzen ist.
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Wie Figur 5 zeigt, kann die obere Metallschicht 4 einfach durch die
Grundfläche eines Metallstempels 11 gebildet werden, der in ein Gehäuse 12, das
aus zwei Gehäusehälften besteht, eingeschraubt ist. In dem Stempel 11 ist ein Permanentmagnet
13 gelagert, dessen Abstand vom Ferritresonator 2 mittels einer mit ihm verbundenen
Schraube 14 einstellbar ist. Das Substrat 7 mit der ersten Metallschicht 3 ist zwischen
den beiden Gehäusehälften 12 eingespannt. Unterhalb des Substrats 7 läßt die Figur
5 noch einen abgehenden Hohlleiterarm 9 erkennen, der allerdings entfällt, wenn
der Zirkulator in eine Finleitungsschaltung eingebaut wird.
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Messungen haben ergeben, daß bei einem runden Ferritresonator 2 mit
einer Höhe h, einem Radius r und einer relativen Dielektrizitätskonstanten Er =
15 neben der Grundschwingung eine weitere Eigenschwingung des Ferritresonators 2
entsteht, die eine gleichsinnige Zirkulation erzeugt und deren - im Gegensatz zur
Grundschwingung höhenabhängigen - Mittenfrequenz etwa das 1,2-fache der Grundschwingungsfrequenz
beträgt, wenn etwa r/h = 2 erfüllt ist. Gleiches gilt für einen dreieckigen Ferritresonator
2' mit etwa gleicher Höhe und Querschnittsfläche. Bei richtiger Einstellung der
Resonatorhöhe (h' = h + b ( ist das Maß für den Abstand der zweiten metallischen
Schicht 4 von der Oberseite des Ferritresonators 2) ) und des Gleichmagnetfeld-Arbeitspunktes
hat die Sperrdämpfung die Frequenzcharakteristik eines zweikreisigen Bandsaperrfilters.
Dieser Zwei-Moden-Betrieb ermöylicht große Bandbreiten bei unbeeinträchtigter Sperrdämpfung
und geringer Einfügedämpfung. Im Beispiel der Figur 5 kann der Gleichmagnetfeld-Arbeitspunkt
mit der Schraube 14 eingestellt werden.
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Eine weitere Ausführungsform ist in Figur 6 dargestellt, in der ein
Ferritresonator 2 in einem keramischen Substrat versenkt ist.
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Zur Verminderung der mechanischen Probleme, die durch verschiedene
Ausdehnungskoeffizienten von Ferrit und Keramik entstehen, kann der Ferritbereich
auch durch einen für Mikrostreifenleitungs-Zirkulatoren gebräuchlichen Sinterungsprozeß
bei der Herstellung
des keramischen Substrats erzeugt werden.
Die obere Metallisierung 3 des Substrats trägt die Schlitz struktur und setzt sich
ggf. in die äußere Beschaltung fort. Die untere Metallisierung bildet die zweite
Metallschicht 4 des Ferritresonators 2. Die durch die untere Metallisierung 4 hervorgerufene
Diskontinuität der Finleitung und die dadurch hervorgerufenen Reflexionen lassen
sich durch einen simultanen Wechsel der Schlitzbreite kompensieren, der so angelegt
ist, daß vor und hinter der Metallisierungskante der gleiche Wellenwiderstand besteht.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Figur 7 dargestellt.
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Diese zeigt einen Zirkulator mit einem insgesamt gyromagnetischen
Substrat. Das Substrat trägt dem Ausführungsbeispiel in Figur 6 entsprechende Metallisierungen
3,4. Das Substrat ist nur im mittleren Bereich 2 magnetisiert, der als Ferritresonator
wirkt. Der Querschnitt des sich ergebenden Resonators 2' entspricht weitgehend der
Form der zwischen den Schlitzen 1 befindlichen Oberseiten-Metallisierung 3. Am Rande
dieser Metallfläche können nämlich keine Ströme senkrecht zur Schlitzkante fließen,
weshalb hier die H-Feldkomponente in Schlitzrichtung Null ist.
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Das entspricht der Randbedingung am Umfang einer Ferritscheibe von
dem Schlitzkantenverlauf entsprechendem Querschnitt.
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Die in Figur 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiele weisen ein
geringes Gewicht und eine hohe mechanische Stabilität auf.
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Das Gleichmagnetfeld läßt sich durch direkt auf die Gegenmetallisierung
4 der Resonatoren 2,2' aufgesetzte Permanentmagnete aus Seltenerde-Metallen erzeugen.
Diese stören das Hochfrequenz feld kaum, da der Raum über der Metallisierung 4 nahezu
feldfrei ist. Dadurch läßt sich ein sehr homogenes Magnetfeld erzeugen, wobei gleichzeitig
das Gehäuse erheblich vereinfacht werden kann.
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Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel läßt sich
der
Stempel 11 durch ein festes Gehäuseteil für die Serienproduktion ersetzen, wobei
sich die Höhe der Hohlleiter 9 durch eingefräste Rampen allmählich bis zum Ferritresonator
2 verringert. Der Ferritresonator 2 kann zur Erhöhung der mechanischen Stabilität,
ggf. unter Zwischenlegung einer dielektrischen Scheibe, mit dem Gehäuse 12 verklebt
werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Zirkulator ist eine Sperrdämpfung von mehr
als 20 dB, eine Reflexionsdämpfung von mehr als 20 d3 und eine Einfügedämpfung von
weniger als 0,5 dB bei einer Bandbreite von 35 % erzielt worden. Verlustbehaftete
und zusätzliche Platz beanspruchende Übergänge oder Impedanztransformations-Str,kturen
sind dabei nicht erforderlich. Die Zirkulatoren sind anwendbar als breitbandige
Duplexer, Isolatoren, zur Entkopplung be Reflexions-Verstärkern und injektionssynchronisierten
Oszillatoren, sowie in Hochfrequenzschaltern, Modulatoren und Phasenschiebern.
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