DE3527189A1 - Hohlleiterverzweigungszirkulator fuer grosse hochfrequenzleistungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen für große Hoch­ frequenzleistungen ausgelegten Hohlleiterverzweigungszir­ kulator, in dessen Resonanzraum mehrere mit Ferritscheiben belegte, auf gegenseitigen Abstand gehaltene und gekühlte Metallplatten übereinander angeordnet sind, und der ein außerhalb des Resonanzraumes angeordnetes Magentsystem be­ sitzt, welches ein senkrecht zu den Ferritscheiben ausge­ richtetes Magnetfeld erzeugt.

Ein derartiger Hohlleiterverzweigungszirkulator ist aus IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag-17, Nr. 6, Nov. 1981, S. 2957-2960 bekannt. Dieser Zirkulator ist bei einer Betriebsfrequenz von 500 Hz für eine Hochfrequenz­ leistung von maximal 250 kW ausgelegt und hat dabei eine Durchgangsdämpfung von ca. 0,2 . . . 0,4 dB und eine relativ schmale Bandbreite von ca. 0,64%, weswegen der Zirkulator sehr empfindlich auf Leistungsschwankungen reagiert. Außer­ dem besitzt der bekannte Hohlleiterverzweigungszirkulator sehr große Abmessungen. Er benötigt deshalb eine äußerst hohe magnetische Energie, die nur mit einem aufwendigen und großräumigen Elektromagneten aufgebracht werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen für große Hochfrequenzleistungen ausgelegten Hohlleiterverzwei­ gungszirkulator anzugeben, der eine möglichst kleine Bau­ form aufweist und ein weniger aufwendiges, kleinvolumiges Magnetsystem erfordert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Un­ teransprüchen hervor.

Dadurch, daß nach der Erfindung die Zirkulatorhöhe redu­ ziert wird, benötigt man vorteilhafterweise weniger mit Ferritscheiben belegte Metallplatten und kommt mit einer geringeren Magnetisierungsenergie aus, was wiederum ein weniger aufwendiges und weniger voluminöses Magnetsystem erfordert als der Stand der Technik. Wegen der geringen erforderlichen Magnetisierungsenergie kann sogar ein Permanentmagnet eingesetzt werden, der im Gegensatz zum Elektromagneten keine Energie verbraucht.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht und

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt A-A durch einen Hohlleiter­ verzweigungszirkulator.

Der hier beschriebene für eine Hochfrequenzleistung von mehr als 300 kW und eine Betriebsfrequenz von 500 MHz ausgelegte Hohlleiterverzweigunszirkulator dient beispielsweise zur Ein­ speisung von sehr hoher HF-Energie in die Resonatoren eines Teilchenbeschleunigers. Dabei entkoppelt der Zirkulator die diese HF-Leistung erzeugenden Hochleistungsklystrons von der Last, so daß diese nicht durch reflektierte Leistungsanteile zerstört werden.

Ein derartiger Hohlleiterverzweigungszirkulator besitzt, wie die Fig. 1 zeigt, drei um jeweils 120° gegeneinander versetzte Verzweigungen 1, 2 und 3, welche jeweils mit einem Anschlußhohlleiter 4, 5 bzw. 6 verbunden sind.

Den inneren Aufbau und die Anordnung des Magnetsystems des Zirkulators verdeutlicht ein durch die Längsachse des Ver­ zweigungsarmes 1 gehender, in Fig. 2 dargestellter Schnitt A-A.

Im Resonanzraum 7, von dem die Verzweigungsarme 1, 2 und 3 ausgehen, sind vier auf gegenseitigen Abstand gehaltene Metallplatten 8 übereinander angeordnet. Diese Metallplat­ ten 8 dienen als Träger für auf der Ober- und Unterseite aufgebrachte Ferritscheiben 9. Der den nichtreziproken Effekt des Zirkulators bewirkende Ferrit ist deshalb in mehrere dünne Scheiben 9 aufgeteilt, um den Temperatur­ gradienten im Ferritmaterial, hervorgerufen durch die ho­ he Betriebsleistung so klein wie möglich zu halten. Die Aufteilung des Ferritmaterials in mehrere Scheiben hat zur Folge, daß der "effektive Füllfaktor" (Verhältnis der Summe der Dicke aller Ferritscheiben zu Gesamthöhe) kleiner ist als bei herkömmlichen Hohlleiterzirkulatoren für kleine Leistungen, wo typische Füllfaktoren von 0,6 . . . 1,0 ver­ wendet werden. Da Füllfaktor und Bandbreite einander pro­ portional sind, ist die erreichbare Bandbreite für Höchst­ leistungszirkulatoren im allgemeinen geringer als die für Kleinsignalzirkulatoren. Die weiter unten näher beschrie­ benen Maßnahmen bewirken aber eine Erhöhung der Bandbreite. Um die in den Ferritscheiben entstehende Wärme abzuführen, weisen die Metallplatten 8 Hohlräume auf, welche von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Ein geeignetes Ferrit­ material, welches sich durch eine sehr geringe Dämpfung von 0,04 dB bei 500 MHz auszeichnet, hat z.B. eine Sättigungs­ magnetisierung 4π M _s von etwa 1000 G und eine Linienbreite Δ H von ca. 20 Oe. Die Ferritscheiben 9 setzen sich aus mehre­ ren auf die Metallplatten 8 aufgeklebten dreieckförmigen Segmenten zusammen, zwischen denen kleine Luftspalten (≈ 50 µm) bestehen.

Der Hohlleiterverzweigungszirkulator ist in seiner Höhe gegenüber den für die Betriebsfrequenz normal dimensionier­ ten Anschlußhohlleitern 4, 5, 6 etwa im Verhältnis von z.B. 0,6 : 1, jedoch um mindestens 20%, reduziert. Diese Höhen­ reduktion des Zirkulators hat vorteilhafterweise zur Folge, daß sich die Zahl der im Resonanzraum 7 unterzubringenden mit Ferritscheiben 9 belegten Metallplatten 8 gegenüber einem Resonanzraum mit Normalhöhe verringert und daß auch für den kleineren mit weniger Ferritscheiben 9 bestückten Resonanzraum 7 eine niedrigere Magnetisierungsenergie auf­ gebracht werden muß.

Je geringer die aufzubringende Magnetisierungsenergie ist, ein desto kleinvolumigeres und weniger aufwendiges Magnetsystem wird benötigt. Aus diesem Grund kommt man beim vorliegenden Zirkulator auch nur mit einem Perma­ nentmagneten aus, der den Hauptanteil der Magnetisie­ rungsenergie liefert. Der Permanentmagnet besteht, wie Fig. 2 zeigt, aus zwei oberhalb und unterhalb des Reso­ nanzraumes 7 angeordneten Magnetkernen 10 und 11, deren Magnetfeld über ein Joch 12 zurückgeschlossen ist. Die beiden Permanentmagnetkerne 10 und 11 sind jeweils von einer elektrischen Spule 13 und 14 umgeben. Die elektri­ schen Spulen 13 und 14 dienen einerseits dazu, die Mag­ netkerne 10 und 11 erst dann zu magnetisieren, wenn sie an dem Zirkulator montiert sind, weil eine Montage be­ reits vorher magnetisierter Kerne wegen der großen magne­ tischen Kräfte sehr schwierig ist. Andererseits stellen die elektrischen Spulen 13 bzw. 14 mit den Kernen 10 bzw. 11 einen Elektromagneten dar, dessen Magnetfeld in Abhängigkeit von dem die Spulen durchfließenden Strom steuerbar ist. Der Elektromagnet liefert zusätzlich zu der vom Permanentmagneten ausgehenden Magnetisierungsener­ gie einen nur geringen Magnetisierungsanteil, der so ein­ gestellt wird, daß Änderungen der Streuparameter des Zir­ kulators, verursacht durch Leistungsschwankungen, kompen­ siert werden.

Bei der Dimensionierung des Zirkulators müssen zum einen die zu übertragende Hochfrequenzleitung (Spannungsfestig­ keit) und zum anderen die Dämpfung berücksichtigt werden, um optimale Daten zu erreichen. Zunächst wirkt eine Reduzie­ rung der Hohlleiterhöhe im Resonatorbereich der Spannungs­ festigkeit entgegen, da die Feldstärke pro Höheneinheit an­ steigt. Es muß also nach einem Kompromiß zwischen minimaler Hohlleiterhöhe und maximaler Spannungsverträglichkeit gesucht werden.

Die Verluste eines Transmissionsresonators werden mit abneh­ mender belasteter Güte und somit auch die Resonanzüberhöhung kleiner, was die Spannungsverträglichkeit wiederum erhöht. Diese Eigenschaften werden im vorliegenden Fall ausgenutzt, d.h. der höhenreduzierte Zirkulator kann bei Verwendung ei­ ner Breitbandtransformation die gleiche Leistung übertragen wie der schmalbandig dimensionierte Zirkulator mit Normal­ querschnitt.

Mit den Querschnittssprüngen an den Übergängen von den hö­ henreduzierten Zirkulatorverzweigungsarmen 1, 2 und 3 auf die Anschlußhohlleiter 4, 5 und 6 und einigen in den Ver­ zweigungsarmen installierten Blindwiderstandselementen lassen sich Mehrkreisfilter realisieren, welche eine sehr breitbandige Anpassung der Hohlleiterverzweigung an die Anschlußhohlleiter schaffen. Als sehr geeignete Blindwi­ derstandselemente erweisen sich zwischen den Hohlleiter­ breitseiten erstreckende induktiv wirkende Pfosten 15, 16 und 17, weil sie leicht justierbar sind und sehr hohen Feldstärken standhalten. Eine optimale Konfiguration von induktiven Pfosten, mit der eine sehr hohe Bandbreite (20 dB, ca. 6%) und eine Dämpfung von <0,1 dB erzielt wurde, besteht, wie die Fig. 1 zeigt, aus zwei nebenein­ ander im Abstand von l₁/λ≈0,46 vom Querschnittsprung angeordneten Pfosten 15, 16 und einem Pfosten 17, dessen Abstand vom Querschnittsprung l₂/λ≈0,11 beträgt.

Wie diese Daten zeigen, hat sich die Bandbreite des vorlie­ genden Zirkulators um den Faktor 10 erhöht und die Dämpfung von 0,2 . . . 0,4 dB auf < 0,1 dB erniedrigt gegenüber dem Stand der Technik.

Claims (5)

1. Ein für große Hochfrequenzleistungen ausgelegter Hohllei­ terverzweigungszirkulator, in dessen Resonanzraum mehrere mit Ferritscheiben belegte, auf gegenseitigen Abstand ge­ haltene und gekühlte Metallplatten übereinander angeordnet sind, und der ein außerhalb des Resonanzraumes angeordnetes Magnetsystem besitzt, welches ein senkrecht zu den Ferrit­ scheiben ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt, ist dadurch gekennzeichnet, daß er in dem von dem Magnetfeld durchsetz­ ten Bereich gegenüber den für die Betriebsfrequenz ausge­ legten, mit den Verzweigungsarmen (1, 2, 3) verbundenen Anschlußhohlleitern (4, 5, 6) eine um mindestens 20% re­ duzierte Höhe aufweist und daß Querschnittssprünge an den Übergängen vom in der Höhe reduzierten Verzweigungszirku­ lator auf die Anschlußhohlleiter (4, 5, 6) zusammen mit anderen in den Hohlleitern angeordneten Blindwiderstands­ elementen (15, 16, 17) Mehrkreisfilter bilden.

2. Hohlleiterverzweigungszirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Zirkulators auf das 0,6fache der Höhe der für die Betriebsfrequenz ausgelegten Anschlußhohlleiter (4, 5, 6) reduziert ist.

3. Hohlleiterverzweigungszirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Blindwiderstandselement in den Verzweigungsarmen mindestens ein induktiv wirkender sich zwischen den Hohlleiterbreitseiten erstreckender Pfosten (15, 16, 17) angeordnet ist.

4. Hohlleiterverzweigungszirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von einem Magnetsystem (10, 11, 13, 14) erzeugt wird, welches aus einem Perma­ nentmagneten und einem Elektromagneten besteht, wobei der Permanentmagnet den größten Anteil der erforderlichen magnetischen Energie liefert.

5. Hohlleiterverzweigungszirkulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet steuerbar ist und leistungsabhängige Änderungen der Streuparameter des Zirkulators kompensiert.