DE3633908A1 - Verzweigungszirkulator fuer mikrowellen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verzweigungs­ zirkulator für Mikrowellen der eine von einem stati­ schen Magnetfeld durchsetzte Wellenleiterverzweigungs­ zone aufweist, in der ein ferromagnetischer Resonator angeordnet ist, welcher aus unterschiedlichen Dielek­ trika besteht, von denen mindestens eines ferromagneti­ sche Eigenschaften hat.

Ein derartiger speziell fur sehr große Hochfrequenzlei­ stungen ausgelegter Zirkulator ist aus den Druckschrif­ ten IEEE Transactions on Microwave Theory and Techni­ ques, Vol. MTT-26, No. 5, May 1978, S. 364-369 und IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-17, No. 6, Nov. 1981 S. 2957-2960 bekannt. Bei den hier beschriebenen Zirkulatoren besteht die Ferritstruktur aus mehreren durch Luftspalte voneinander getrennten, senkrecht zum statischen Magnetfeld angeordneten Ferritscheiben, welche auf von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Metallträgern angebracht sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zirku­ lator der eingangs genannten Art anzugeben, der insbe­ sondere für einen Betrieb mit sehr großer Hochfrequenz­ leistung geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelost.

Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unter­ ansprüchen hervor.

Bei den bekannten Hochleistungszirkulatoren wirkt sich die Schichtung des ferromagnetischen Dielektrikums in der Ver­ zweigungszone senkrecht zum statischen Magnetfeld sehr nach­ teilig auf die Leistungsverträglichkeit aus. Beim hier übli­ chen H-Ebenen-Verzweigungszirkulator verlaufen nämlich im ferromagnetischen Resonator die E-Feldlinien des Hochfre­ quenzfeldes parallel zum statischen Magnetfeld, so daß also die Grenzflächen der Ferritschichten das E-Feld senkrecht schneiden, was zu sehr starken Feldstärkeüberhöhungen in den Luftspalten zwischen den Ferritschichten führt. Eine Ver­ größerung der Luftspalte durch Erweitern der Resonator­ höhe, um der Feldstärkeüberhöhung entgegenzuwirken, ist nur bedingt möglich, da sonst das statische Magnetfeld nicht mehr mit erträglichem Aufwand aufgebracht werden kann. Der erfindungsgemäße Zirkulator weist dagegen in seiner Ver­ zweigungszone einen Resonator auf, dessen ferromagnetisches Dielektrikum sich über die gesamte Höhe der Wellenleiterver­ zweigungszone erstreckt und dessen nicht ferromagnetisches Dielektrikum, welches der Wärmeableitung dient, ebenfalls über die volle Höhe der Verzweigungszone ausgedehnt ist. In diesem Fall ist das statische Magnetfeld wie auch das elek­ trische Hochfrequenzfeld tangential zu den Grenzflächen zwi­ schen den ferromagnetischen und den nicht ferromagnetischen Dielektrika orientiert. Dadurch werden Feldstärkeüberhöhun­ gen im ferromagnetischen Dielektrikum vermieden, so daß die Durchschlagsfestigkeit des Zirkulators sehr groß wird und er deshalb für einen Betrieb mit äußerst hohen Leistungen geeignet ist.

Die nach der Erfindung ausgeführte Resonatorstruktur ermög­ licht außerdem die Ableitung großer Wärmemengen, was das ferromagnetische Dielektrikum vor thermischer Zerstörung schützt. Dies gilt vornehmlich bei einer feinstrukturierten Konfiguration des ferromagnetischen Dielektrikums, weil dann ein besonders guter Wärmeübergang auf das wärmeabführende Dielektrikum gewährleistet ist. Mit den Maßnahmen der Erfin­ dung lassen sich vorteilhafterweise Verzweigungszirkulatoren sowohl in Hohlleitertechnik als auch in L(Lecher)-Wellenlei­ tertechnik (z.B. Streifenleiter) realisieren.

Anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen wird nun die Erfindung naher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch die mit einer Resona­ torstruktur versehene Verzweigungszone eines Hohl­ leiterzirkulators,

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die mit einer Resona­ torstruktur versehene Verzweigungszone eines Zirku­ lators in Streifenleitungstechnik

Fig. 3 zeigt eine weitere Resonatorstruktur.

Dem in Fig. 1 dargestellten Ausschnitt eines Hohlleiterzir­ kulators sind zwei einander gegenüberliegende Hohlleiterwän­ de 1 und 2 der Zirkulatorverzweigungszone, eine darin ange­ ordnete Resonatorstruktur und ein Magnetsystem zu entnehmen, welches ein die Verzweigungszone durchsetzendes statisches Magnetfeld erzeugt.

Das Magnetsystem bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbei­ spiel hat zwei ober- und unterhalb der Hohlleiterverzweigung angeordnete Polschuhe 3 und 4, einen Permanentmagneten 5 und ein den magnetischen Rückschluß außerhalb der Zirkulatorver­ zweigungszone bildendes Joch 6, welches einerseits auf dem Polschuh 3 und andererseits auf dem Permanentmagneten 5 auf­ liegt.

Die Resonatorstruktur enthält ein ferromagnetisches Dielek­ trikum in Form mehrerer Ferritstäbe 7, die sich zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Hohlleiterwänden 1, 2 parallel zum E-Feld des Zirkulators erstrecken. In diesen parallel zum E-Feld verlaufenden, sich von einer Hohlleiter­ wand zur gegenüberliegenden ohne Querschnittsänderungen er­ streckenden Ferritstäben 7 ist das E-Feld genauso groß wie in einem die Ferritstäbe umgehendem nicht ferromagnetischen Dielektrikum. Es gibt also an keiner Stelle in den Ferrit­ stäben Feldstärkeüberhohungen, anders als bei herkömmlichen Resonatorstrukturen mit quer zum E-Feld verlaufenden Luft­ spalten.

Dies hat zur Folge, daß eine gemäß der Erfindung beschaffene Resonatorstruktur eine extrem hohe Durchschlagsfestigkeit besitzt, weshalb ein Zirkulator mit einer solchen Resonator­ struktur für die Übertragung sehr hoher Leistungen geeignet ist.

Durch die Aufteilung des ferromagnetischen Dielektrikums in viele einzelne im Abstand zueinander angeordnete Stäbe 7 entsteht eine große Kühlfläche, womit äußerst günstige Voraussetzungen gegeben sind für die Ableitung der in den Ferritstaben 7 entstehenden Wärme. Mit Hilfe eines die Ferritstäbe 7 umströmenden Kühlmittels, z.B. Luft oder eines anderen geeigneten Gases oder einer dielektrischen Flüs­ sigkeit, können auf einfache Weise sehr große Wärmemengen abgeführt werden. Zu diesem Zweck sind alle Ferritstäbe 7 von einem in die Verzweigungszone eingesetzten und an den Innenseiten der Hohlleiterwände abgedichteten dielektrischen Zylinder 8 umgeben, der den Resonator begrenzt. In diesen dielektrischen Zylinder 8 wird durch einen Einflußkanal 9 in dem Polschuh 4 und mehrere Löcher 10 in der Hohlleiterwand 2 ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel eingeführt und durch Löcher 11 in der gegenüberliegenden Hohlleiterwand 1 und einem Ausflußkanal 12 in dem anderen Polschuh 3 abge­ führt. Die beiden Polschuhe 3 und 4 sind auf den Außenseiten der Hohlleiterwände 1 und 2 gegen Austritt des Kühlmittels abgedichtet.

Die Durchtrittslöcher 10 und 11 in den Hohlleiterwänden 1 und 2 sind so dimensioniert, daß sie für das Hochfrequenz­ feld im Zirkulator undurchlässig sind.

Anstelle der in Fig. 1 dargestellten Kühlvorrichtung kann auch jeder einzelne Ferritstab 7 in einem dielektrischen Röhrchen untergebracht und durch jedes Röhrchen das Kühlmit­ tel geleitet werden.

In den Ferritstäben ist sowohl in Längs- als auch in Quer­ richtung der Temperaturgradient sehr klein, so daß eine mechanische Zerstörung der Ferritstäbe wegen thermischer Spannungen nicht zu befürchten ist.

Wie Fig. 1 zeigt, sind die Ferritstabe 7 durch für das Hochfrequenzfeld undurchlässige Öffnungen 13, 14 in den beiden Hohlleiterwänden 1, 2 geführt. Zum einen ist dadurch eine einfache Halterung fur die Ferritstabe 7 gegeben. Zum anderen wird vorteilhafterweise auf Grund der Durchführung der Ferritstabe 7 durch die Hohlleiterwände 1, 2 bis zu den Polschuhen 3, 4 der magnetische Widerstand für den magneti­ schen Kreis verringert. Als Folge davon braucht auch nur eine kleinere Magnetfeldstarke aufgebracht zu werden, wes­ halb ein weniger aufwendiges Magnetsystem benötigt wird. Die Verringerung des magnetischen Widerstandes zwischen dem Magnetsystem und den Ferritstaben hat außerdem den Vorteil, daß die Magnetisierung der Ferritstäbe soweit erhöht werden kann, daß der Zikulator auch oberhalb der bisherigen Fre­ quenzgrenze von etwa 2,5 GHz, im Oberresonanzbetrieb ( above resonance ) arbeiten kann. Dann treten nämlich in den Fer­ ritstäben kaum noch Spinwellenverluste auf, welche nichtli­ neare Effekte hervorrufen könnten.

In der Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen planaren Verzwei­ gungszirkulator dargestellt. Dieser Zirkulator besitzt eine symmetrische Leitungsstruktur, bestehend aus zwei planaren Außenleitern 15, 16 und einem dazwischen angeordneten Innen­ leiter 17. Auch hier besteht wie beim Hohlleiterzirkulator (Fig. 1) die Resonatorstruktur in der Verzweigungszone aus mehreren im Abstand zueinander angeordneten und parallel zum E-Feld in der Verzweigungszone ausgerichteten Ferritstäben 17. Die Ferritstäbe 7 sind durch Bohrungen 18, 19 und 20 in den Außenleitern 15, 16 und dem Innenleiter 17 geführt, so daß die Ferritstäbe 7 bis an die Polschuhe 3, 4 des Magnet­ systems heranreichen. Das Magnetsystem entspricht dem oben beschriebenen und ist daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1.

Damit den ferromagnetischen Resonator ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel durchströmen kann, sind in den Außen­ leitern 15, 16 und dem Innenleiter 17 Öffnungen 21, 22 und 23 vorgesehen.

Anstatt die ferromagnetischen Resonatoren bei beiden in den Fig. 1 und 2 dargestellten Zirkulatorausführungen mittels eines flüssigen oder gasförmigen Dielektrikums zu kühlen, kann auch ein festes Dielektrikum (z.B. Berylliumoxid-Kera­ mik) mit guter Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, in das die Ferritstäbe 7 eingebettet sind.

Für die in den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispie­ len erwähnten Ferritstäbe 7 kann jede beliebige Querschnitts- form (z.B. rund, quadratisch, sternförmig, hexogonal o.dgl.) gewählt werden. Dabei ist nur zu beachten, daß sich der Querschnitt der Stäbe in Richtung des statischen Magnetfel­ des nicht ändern.

Eine weitere Form des ferromagnetischen Resonators ist in Fig. 3 dargestellt. Hier besteht der Resonator aus einem Ferritkörper 24, der sich z.B. in einem Hohlleiterzirkulator von einer Hohlleiterwand 25 zur gegenüberliegenden 26 er­ streckt. In diesen Ferritkörper 24 sind parallel zum stati­ schen Magnetfeld verlaufende Löcher 27 eingelassen, die von einem nicht ferromagnetischen wärmeabführenden Dielektrikum ausgefüllt sind. Die Löcher 27 im Ferritkörper 24 setzen sich fort in die Hohlleiterwände 25 und 26 durchsetzenden Bohrungen 28 und 29, so daß der Resonator von einem gasfor­ migen oder flüssigen Dielektrikum durchströmt werden kann.

Eine vorteilhafte Betriebsart des Zirkulators gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 oder 2 ergibt sich, wenn die Polschuhe 3, 4 und das Magnetjoch 6 aus Ferritmaterial hergestellt sind und der Magnet 5 durch eine auf das Joch 6 gewickelten Spule ersetzt wird. Durch Stromstöße in der Spule kann dann das Magnetfeld und damit die Drehrichtung des Zirkulators sehr schnell umorientiert werden, was auf einen direkten Kontakt der Ferritstäbe 7 mit den Polschuhen 3, 4 zurückzuführen ist. Im stromlosen Zustand der Spule erhält die Remanenzfeldstärke im Joch 6, den Polschuhen 3, 4 und in den Ferritstäben 7 das statische Magnetfeld im Reso­ nator aufrecht.

Claims (12)

1. Verzweigungszirkulator für Mikrowellen, der eine von einem statischen Magnetfeld durchsetzte Wellenleiterver­ zweigungszone aufweist, in der ein ferromagnetischer Resonator angeordnet ist, welcher aus unterschiedlichen Dielektrika besteht, von denen mindestens eines ferro­ magnetische Eigenschaften hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen der verschiedenen Dielektrika Raumkörper (7, 27) bilden, die sich über die gesamte Höhe der Verzweigungszone erstrecken und deren Quer­ schnitte sich in Richtung des statischen Magnetfeldes nicht ändern.

2. Verzweigungszirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das ferromagnetische Dielektrikum in Form von mehreren parallel zum statischen Magnetfeld ausge­ richteten Stäben (7) in einem anderen Dielektrikum eingebettet ist.

3. Verzweigungszirkulator nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem Hohlleiterzirkulator die ferro­ magnetischen Stäbe (7) durch Öffnungen (13, 14) in den gegenüberliegenden Hohlleiterwänden (1, 2) geführt sind und daß diese Öffnungen (13, 14) so dimensioniert sind, daß sie für das Hochfrequenzfeld im Zirkulator undurch­ lässig sind.

4. Verzweigungszirkulator nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einem Zirkulator, dessen Wellenleiter­ verzweigung als planare Leitungsstruktur (15, 16, 17) ausgebildet ist, die ferromagnetischen Stäbe (7) durch Bohrungen (18, 19, 20), welche die Leitungsstruktur (15, 16, 17) durchsetzen, geführt sind.

5. Verzweigungszirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einen die Verzweigungszone ausfüllenden ferromagnetischen Körper (24) parallel zum statischen Magnetfeld verlaufende Durchgangsbohrungen (27) einge­ bracht sind, die mit einem anderen Dielektrikum gefüllt sind.

6. Verzweigungszirkulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Dielek­ trika aus gut wärmeleitendem Keramik besteht.

7. Verzweigungszirkulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Dielek­ trika eine Flüssigkeit ist, die zum Abtransport der Verlustwärme durch den ferromagnetischen Resonator strömt.

8. Verzweigungszirkulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Dielek­ trika ein Gas ist, das zum Abtransport der Verlustwärme durch den ferromagnetischen Resonator strömt.

9. Verzweigungszirkulator nach einem der Ansprüche 2, 3, 4, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle ferromagne­ tischen Stäbe (7) in einem dielektrischen Zylinder (8) angeordnet sind, durch den eine Flüssigkeit oder ein Gas strömt.

10. Verzweigungszirkulator nach einem der Ansprüche 2, 3, 4, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne ferromagnetische Stab in einem dielektrischen Röhrchen steckt, durch das eine Flüssigkeit oder ein Gas strömt.

11. Verzweigungszirkulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung als ein in seiner Drehrichtung umschaltbarer Zirkulator, wobei das statische Magnetfeld im Resonator einer außerhalb der Wellenleiterverzweigungszone angeordneten strom­ durchflossenen Spule umorientiert wird.

12. Verzweigungszirkulator nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spule auf ein außerhalb der Verzwei­ gungszone angeordnetes ferromagnetisches Joch (6) gewik­ kelt ist, welches einen magnetischen Kreis mit dem ferromagnetischen Dielektrikum (7) in der Verzweigungs­ zone bildet und daß im stromlosen Zustand der Spule die Remanenzfeldstärke im Joch (6) und im Dielektrikum (7) das statische Magnetfeld im Resonator aufrecht erhält.