DE3732794C2 - Ferromagnetischer Resonator mit einer Temperatur-Kompensationseinrichtung unter Verwendung vorkodierter Kompensationsdaten - Google Patents

Ferromagnetischer Resonator mit einer Temperatur-Kompensationseinrichtung unter Verwendung vorkodierter Kompensationsdaten

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ferromagnetischen Resonator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, der von einer ferrimagnetischen Resonanz eines ferrimagnetischen Dünnfilmes Gebrauch macht, und insbesondere auf einen ferromagnetischenn Resonator mit einer Temperaturkompensationseinrichtung.
Es wurde bereits ein ferromagnetischer Resonator zur Verwendung in einem Mikrowellengerät als Filter oder als Oszillator vorgeschlagen. Ein derartiger ferromagnetischer Resonator wird durch einen ferrimagnetischen Dünnfilm gebildet, der beispielsweise mittels Flüssigphasenepitaxie- Wachstum eines YIG-Dünnfilmes (YIG = Yttrium Iron Garnet = Yttriumeisengranat) auf einem nicht magnetischen GGG-Substrat (GGG = Gadolinium Gallium Garnet = Gadoliniumgalliumgranat) hergestellt wird, und durch selektives Ätzen des YIG-Dünnfilmes durch einen photolithographischen Prozeß in eine gewünschte Form gebracht wird, die beispielsweise eine Scheibenform oder eine rechteckige Form sein kann. Ein derartiges Mikrowellengerät hat dahingehende Vorteile, daß es als MIC (microwave integrated circuit = integrierte Mikrowellenschaltung) mit Mikrostreifenleitungen als Übertragungsleitungen hergestellt werden kann, und daß das Mikrowellengerät in einfacher Weise mit anderes MICs (integrierten Mikrowellenschaltungen) verbunden werden kann, um eine Hybridschaltung zu bilden. Die Verwendung eines Resonatorelementes mit einem YIG-Dünnfilm hat Vorteile gegenüber einem Resonatorelement mit einer YIG-Kugel, weil ein YIG-Dünnfilm besser durch Massenproduktionsverfahren unter Verwendung lithographischer Techniken herstellbar ist.
Ein ferromagnetischer Resonator dieser Bauart unter Verwendung ferrimagnetischer Dünnfilme ist bereits in den US-PS 4 547 754 und 4 636 756 beschrieben. Anwendungsbeispiele derartiger ferromagnetischer Resonatoren für einen Tuner und einen Oszillator sind aus der US-PS 4 626 800 entnehmbar.
Jedoch treten bei der Verwendung von ferromagnetischen Resonatoren mit ferrimagnetischen Resonatorelementen mit einem YIG-Dünnfilm praktische Probleme dadurch auf, daß charakteristische Kennwerte in starkem Maße von der Temperatur abhängen.
Die Temperaturcharakteristik eines derartigen ferromagnetischen Resonators werden nachfolgend erläutert.
Die Resonatorfrequenz f eines ferrimagnetischen Resonatorelementes mit beispielsweise einem YIG-Dünnfilm bei Anlegen eines Gleichmagnetfeldes in einer senkrechten Richtung zur Hauptfläche des YIG-Filmes wird durch folgende Kittelsche Gleichung wiedergegeben:
f = γ {(HG-(Nz-NT) · 4πMs(T)} (1)
Der obigen Gleichung liegt die Annahme zugrunde, daß der Einfluß des anisotropen Feldes vernachlässigbar klein ist, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis darstellt, das 2,8 MHz/Oe für einen YIG-Dünnfilm beträgt, wobei ferner Hg das an den YIG-Dünnfilm angelegte Gleichmagnetfeld bezeichnet, Nz und NT die Entmagnetisierungsfaktoren bezüglich der Richtung des Gleichmagnetfeldes und einer senkrechten Richtung hierzu darstellen, wobei ferner (Nz-NT) auf der Basis einer magnetostatischen Modentheorie berechnet wird und wobei 4πMs die Sättigungsmagnetisierung des YIG-Dünnfilmes ist, die eine Funktion der Temperatur T darstellt. In einem zahlenmäßigen Beispiel beträgt Nz-NT = 0,9774 für die senkrechte Resonanz eines YIG-Dünnfilmes mit einem Erscheinungsverhältnis (Dicke/Durchmesser) von 0,01. Wenn das Vormagnetfeld Hg konstant unabhängig von Temperaturänderungen ist, beträgt die Breite des Variationsbereiches der Resonanzfrequenz f 712 MHz in einem Temperaturbereich von 0°C bis 70°C, da die Sättigungsmagnetisierung 4πMs des YIG-Dünnfilmes 1844 G (Gauß) bei 0°C und 1584 G bei +70°C beträgt.
Es wurde bereits vorgeschlagen, den Temperaturgang von YIG- Dünnfilm-Mikrowellengeräten durch Anlegen eines Vormagnetfeldes an das YIG-Dünnfilmresonatorelement mittels eines Permanentmagneten in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz des ferrimagnetischen Resonators zu kompensieren oder durch Verwendung einer Vormagnetisierungsschaltung mit einem Permanentmagneten und einer weichmagnetischen Platte mit speziellem Temperaturkoeffizienten.
Jedoch kann diese Art der Temperaturkompensation nur an YIG-Dünnfilm-Mikrowellengeräten mit festem Frequenzband oder einem begrenzt veränderlichen Frequenzband angewendet werden. Die Anwendung für YIG-Dünnfilm-Mikrowellengeräte mit weit veränderbarem Frequenzband ist nicht möglich.
Mit anderen Worten gingen die bisher vorgeschlagenen Temperatur-Kompensationsverfahren von der Annahme aus, daß die Temperatur des YIG-Dünnfilmes und diejenige des Permanentmagneten oder der weichmagnetischen Platte des magnetischen Kreises im wesentlichen miteinander übereinstimmen.
Wenn allerdings ein Elektromagnet mit einer Spule zum Erregen des Magnetfeldes anstelle des Permanentmagneten verwendet wird, verursacht die durch die erregte Spule erzeugte Wärme eine relativ hohe Temperaturdifferenz zwischen dem YIG-Dünnfilm und dem magnetischen Kreis und ferner zwischen den Komponenten, wie beispielsweise zwischen dem Magneten und der weichmagnetischen Platte des magnetischen Kreises, so daß die obengenannte Annahme nicht länger zutrifft.
Mit anderen Worten ist die vorgeschlagene Temperaturkompensationsmethode, die auf der Annahme beruht, daß die Temperatur des ferrimagnetischen Resonatorelementes und diejenige des magnetischen Kreises in der gleichen Größenordnung liegen, für solche ferromagnetischen Resonatoren mit einem über einen weiten Bereich veränderlichen Frequenzband ungeeignet, bei denen die Größe des dem Elektromagnet zugeführten Stromes zum Anlegen des Gleichmagnetfeldes an das ferrimagnetische Resonatorelement über einen vergleichsweise großen Bereich verändert wird.
Ferner ist in einem engeren Sinn bzw. abhängig von den Umgebungsbedingungen die Temperatur des ferrimagnetischen Resonatorelementes verschieden von derjenigen des Permanentmagneten oder des magnetischen Kreises sogar in dem Fall, daß der ferromagnetische Resonator einen Permanentmagneten zum Anlegen eines Gleichmagnetfeldes an das ferrimagnetische Resonatorelement verwendet. Daher ist das Kompensationsverfahren für den Temperaturgang unter der Annahme, daß keine Temperaturdifferenz zwischen jenen Komponenten besteht, selbst dann nicht zufriedenstellend anwendbar, wenn der ferromagnetische Resonator einen Permanentmagneten verwendet.
Aus der EP 0 157 216 A1 ist ein ferromagnetischer Resonator mit Magneten (12) bekannt. In der Beschreibungseinleitung dieser Druckschrift ist zum Stand der Technik ausgeführt, daß eine Temperaturdifferenz durch eine temperaturabhängige Veränderung des magnetischen Feldes vorgenommen werden kann, siehe Seite 1, letzter Absatz.
Die FR 2 573 923 beschreibt einen YIG-Filter, dessen Generator zur Erzeugung eines Magnetfeldes temperaturstabilisiert ist. Dazu weist die Anordnung einen Temperaturdetektor 5, eine Meßbrücke 6, einen Verstärker 7 und eine Spule 1 auf. Mit der Dimensionierung dieser Schaltung sind die Daten festgelegt, mit denen die durch den Temperaturdetektor erfaßte Temperatur kompensiert wird.
Ein Temperaturkompensationsverfahren für einen Oszillator mit einem dielektrischen Resonator ist beispielsweise in der elektrotechnischen Fachveröffentlichung 1984 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Seiten 277-279 (nachfolgend "Druckschrift 1" genannt), offenbart. Die Erfindung basiert auf einem unterschiedlichen Gedanken verglichen mit demjenigen dieser Druckschrift, was nachfolgend aus der Erläuterung der Erfindung deutlich werden soll.
Gegenüber dem obengenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen ferromagnetischen Resonator der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß dessen Temperaturkompensation verbessert wird.
Diese Aufgabe wird bei einem ferromagnetischen Resonator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß jetzt ferromagnetische Resonatoren unter Verwendung ferrimagnetischer Dünnfilme auch für vergleichsweise breite Frequenzbänder einsetzbar sind.
Ferner ist als Vorteil die besondere Frequenzstabilität eines erfindungsgemäßen ferromagnetischen Resonators gegenüber Temperaturschwankungen hervorzuheben.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen ferromagnetischen Resonators liegt in seinem stabilen Frequenzverhalten in einem weiten Frequenzbereich bei Temperaturschwankungen.
Abhängige Patentansprüche 2 bis 6 kennzeichnen jeweils vorteilhafte Ausbildungen.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 und 2 Blockdiagramme ferromagnetischer Resonatoren gemäß der Erfindung;
Fig. 3 bis 5 graphische Darstellung vom Meßergebnissen der Mittenfrequenzen bei Temperaturabweichungen;
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Frequenzabweichung bei Änderung der Mittenfrequenz bei 0°, 30° und 60°C;
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines ferromagnetischen Resonators, bei dem die Temperaturkompensation gemäß der Erfindung eingesetzt wird; und
Fig. 8 eine graphische Darstellung eines Meßergebnisses der Mittenfrequenzabweichung bei Temperaturänderung ohne Temperaturkompensation.
Ein ferromagnetischer Resonator gemäß der Erfindung umfaßt beispielsweise, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, ein ferrimagnetisches Resonatorelement 1, einen Elektromagnet 2, der ein Gleichmagnetfeld bzw. Vormagnetfeld an das ferrimagnetische Resonatorelement 1 anlegt, einen Temperaturdetektor 3, der die Temperatur des ferrimagnetischen Resonatorelementes 1 erfaßt, und eine Kompensationsschaltung 4, die einen Kompensationsstrom entsprechend der Temperatur des ferrimagnetischen Resonatorelementes 1, die durch den Temperaturdetektor 3 gemessen wird, dem Elektromagneten 2 zuführt.
Der Temperaturdetektor 3 erzeugt ein Detektionssignal entsprechend der Temperatur des ferrimagnetischen Resonatorelementes 1, woraufhin die Kompensationsschaltung 4 einen benötigten Strom entsprechend des Erfassungsausgangssignales des Temperaturdetektors 3 dem Elektromagneten 2 zuführt, um den temperaturabhängigen Term der Gleichung (1) zu eliminieren, so daß eine temperaturabhängige Veränderung der Resonanzfrequenz f vermieden wird.
Ein ferromagnetischer Resonator gemäß der Erfindung wird in einer ersten Ausführungsform nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, in der das Bezugszeichen 20 einen ferromagnetischen Resonator mit einem ferrimagnetischen Resonatorelement 1 bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der ferromagnetische Resonator 20 einen magnetischen Kreis 5 mit einem Paar glockenförmiger Magnetkerne 5A₁ und 5A₂, wie beispielsweise magnetische Ferritkerne, die jeweils äußere kreisförmige Wandabschnitte und mittige Magnetpole 5B₁ und 5B₂ haben, die einander gegenüberliegen und bei denen die Achsen der mittigen Magnetpole 5B₁ und 5B₂ mit der Innenachse des ferromagnetischen Resonators 20 fluchten.
Ein Elektromagnet 2 wird durch Befestigen einer ersten Spule (weiterhin: Frequenzsteuerspule genannt) 6 mit N₁ Wicklungen und einer zweiten Spule (weiterhin: Temperaturkompensationsspule genannt) 7 mit N₂ Wicklungen auf den jeweiligen mittigen Magnetpolen 5B₁ und 5B₂ der Kerne 5A₁ und 5A₂ des magnetischen Kreises 5 gebildet.
Das ferrimagnetische Resonatorelement 1 ist beispielsweise ein YIG-Dünnfilmelement und ist in einem Magnetspalt g der Länge lg angeordnet, der zwischen den mittigen Magnetpolen 5B₁ und 5B₂ des magnetischen Kreises 5 gebildet ist.
Ein Temperaturdetektor 3, der beispielsweise ein Thermistor sein kann, liegt nahe am ferrimagnetischen Resonatorelement 1.
Die Frequenzsteuerspule 6 des Elektromagneten 2 ist mit einer veränderlichen Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden. der Strom I₁, der der Spule 6 zuzuführen ist, wird durch Veränderung des Vormagnetfeldes, das an das Resonatorelement 1 angelegt wird, gesteuert, um wahlweise die Resonanzfrequenz, d. h. die Betriebsfrequenz des Resonatorelementes 1 einzustellen.
Die Temperaturkompensationsspule (Spuleneinrichtung) 7 ist mit einer Kompensationsschaltung 4 verbunden.
In der Schaltung 4 empfängt ein Analog-Digital-Wandler 8 zum Umwandeln von Analogsignalen in entsprechende Digitalsignale ein Spannungssignal, das die Temperatur des ferrimagnetischen Resonatorelementes 1 anzeigt, von dem Temperaturdetektor 3 und legt daraufhin digitale Temperaturdaten, die dem Spannungssignal entsprechen, einem Adreßbus einer Speicherschaltung ROM (Festwertspeicher) 9 an. Vorcodierte Temperaturkompensationsdaten sind vorab in dem ROM 9 gespeichert. Daraufhin werden Temperaturkompensationsdaten für die Temperaturkompensation durch den Datenbus aus dem ROM 9 ausgelesen. Ein Digital-Analog-Wandler 10 wandelt die Temperaturkompensationsdaten in entsprechende Analogdaten um und führt die Analogdaten, wenn nötig, über einen Tiefpaßfilter 11 zum Unterdrücken der Abtastfrequenzkomponente einer Treiberschaltung 12 zu. Daraufhin führt die Treiberschaltung 12 einen Kompensationsstrom I₂ der Temperaturkompensationsspule 7 zu.
Bei einer derartigen Betriebsweise kann ein an das ferrimagnetische Resonatorelement 1 anzulegende Magnetfeld, nämlich das Spaltmagnetfeld Hg in dem Magnetspalt g durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Hg = Hl · Il/lg + N₂ · I₂/lg (2)
Die Größe des Kompensationsstromes I₂, der durch die Kompensationsschaltung 4 der Temperaturkompensationsspule 7 zuzuführen ist, um die Variation der Resonanzfrequenz des ferrimagnetischen Resonatorelementes 1 und damit den temperaturabhängigen Term der Gleichung (1) zu kompensieren, wird folgendermaßen gewählt:
N₂ · I₂/lg = (Nz - NT) · 4πMs(T) (3)
Demzufolge kann die Resonanzfrequenz f des ferrimagnetischen Resonatorelementes 1 aufgrund der Gleichungen (1), (2) und (3) folgendermaßen ausgedrückt werden:
f = γ · N₁ · I₁/lg (4)
Bei Elimination des temperaturabhängigen Termes der Gleichung kann die Resonanzfrequenz f derart bestimmt werden, daß sie einzig von dem Strom I₁ abhängt, der der Frequenzsteuerspule 6 zugeführt wird.
Wie oben geschildert wurde, werden die Temperaturkompensationsdaten vorcodiert und vorab in dem ROM 9 gespeichert, damit die Kompensationsschaltung 4 einen Strom I₂ erzeugt, der die Gleichung (4) erfüllt. Die Temperaturkompensationsdaten werden beispielsweise derart gewählt, daß das ferrimagnetische Resonatorelement 1 bei einer festen Frequenz fs von beispielsweise 1,8 GHz arbeitet. Die Betriebsfrequenz des ferrimagnetischen Resonatorelementes wird durch einen Netzwerkanalysator erfaßt. In diesem Zustand wird eine vorbestimmte Temperatur erzeugt, um Digitaldaten für die Stromversorgung der Temperaturkompensationsspule 7 festzulegen, bei denen f₀=fs=1,8 GHz gilt. Daraufhin werden die Digitaldaten und die der erfaßten Temperatur entsprechenden Digitaldaten in einer eins-zu-eins-Zuordnung in dem ROM gespeichert. Diese Betriebsweise wird für Temperaturen des Betriebstemperaturbereiches ausgeführt, wobei die auf diese Weise erhaltenen Daten in dem ROM eingeschrieben werden.
Somit kann der ferromagnetische Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung, der mit der Temperaturkompensationsspule 7 und der Kompensationsschaltung 4 zum Erzeugen eines Kompensationsstromes I₂ entsprechend der Temperaturveränderung des ferrimagnetischen Resonatorelementes 1 ausgestattet ist, vollständig die temperaturabhängigen Faktoren beseitigen, die die temperaturabhängige Veränderung der Resonanzfrequenz verursachen. Insbesondere dann, wenn die Daten in der Weise bestimmt werden, daß das ferrimagnetische Resonatorelement 1 bei einer festen Frequenz fs unabhängig von der Temperaturvariation betrieben wird und entsprechend der obigen Beschreibung in dem ROM abgespeichert werden, kann die temperaturabhängige Veränderung der Betriebsfrequenz unabhängig von der Höhe der Betriebsfrequenz unterdrückt werden, selbst wenn der ferromagnetische Resonator in einem sich über einen weiten Bereich ändernden Frequenzband betrieben wird. Die Unterdrückung der temperaturabhängigen Veränderung der Betriebsfrequenz des ferromagnetischen Resonatorelementes ist möglich, wenn die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und dem Spaltmagnetfeld in Gleichung (1), also die Beziehung zwischen dem Vormagnetfeld und dem der Spule zugeführten Strom, linear ist, was bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung verwirklicht ist.
Gemäß einem anderen Merkmal des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wird die Kompensation der temperaturabhängigen Variation derr Resonanzfrequenz direkt zu dem Spaltmagnetfeld, das die Resonanzfrequenz steuert, und damit zu dem Vormagnetfeld, das an das ferrimagnetische Resonatorelement 1 angelegt wird, rückgeführt.
In diesem Ausführungsbefehl wird die Temperaturkompensation auf alle Faktoren bezogen, die in einer Beziehung zur Variation der Resonanzfrequenz stehen, und zwar einschließlich der Sättigungsmagnetisierung 4πMs des ferrimagnetischen Resonatorelementes 1, wie dies in Gleichung (1) enthalten ist. Der ferromagnetische Resonator kann derart aufgebaut sein, daß lediglich die temperaturabhängige Variation der Sättigungsmagnetisierung kompensiert wird. Da die Sättigungsmagnetisierung 4πMs(T) des ferrimagnetischen Resonatorelementes in einen festen Anteil 4πMs⁰ sowie in einen temperaturabhängigen veränderlichen Anteil Δ4πMs(T) aufgeteilt werden kann, kann die Gleichung (1) in folgenden Ausdruck umgeformt werden:
f = γ{Hg-(Nz-NT) · 4πMs⁰ - (Nz-NT) · Δ4πMs(T)} (5)
Wenn der Kompensationsstrom I₂ derart festgelegt wird, daß er folgende Gleichung erfüllt:
N₂ · I₂/lg = (Nz-NT) · Δ4πMs(T) (6)
anstelle der Gleichung (3), so folgt aus den Gleichungen (2), (5) und (6):
f = γ · N₁ · I₁/lg - γ(Nz-NT) · 4πMs⁰ (7)
Wie in Gleichung (7) gezeigt ist, ist, da die Resonanzfrequenz einen festen Term -(Nz-NT) · 4πMs⁰ enthält, die Resonanzfrequenz nicht einfach proportional dem Frequenzsteuerstrom I₁. Jedoch hängt die Resonanzfrequenz f allein vom Frequenzsteuerstrom I₁ ab und ist unabhängig von der Temperatur.
Die Fig. 3, 4 und 5 sind graphische Darstellungen der gemessenen Variation der Mittenfrequenz bezüglich der Temperatur bei einem YIG-Bandpaßfilter mit veränderlicher Frequenz, der gemäß der vorliegenden Erfindung für ein Frequenzband von 0,8 bis 2,8 GHz ausgestaltet ist, wenn die Temperatur von 0°C auf 70°C angehoben wird und daraufhin wiederum auf 0°C abgesenkt wird, wobei die bei einer Frequenz von 1,8 GHz festgelegten Temperaturkompensationsdaten in dem ROM gespeichert sind und die Temperaturkompensationsfunktion bei 1,8 GHz, 0,8 GHz und 2,8 GHz ausgeführt wird.
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der gemessenen Variation der Mittenfrequenz von 1,8 GHz abhängig von der Temperatur, wenn die Temperatur von 0°C auf 70°C angehoben und daraufhin auf 0°C abgesenkt wird und wenn keine Temperaturkompensation angewendet wird. Aus einer Vergleichsbetrachtung der Fig. 3, 4, 5 und 8 ergibt sich offensichtlich, daß die Frequenzvariation ±369 MHz beträgt, wenn keine Temperaturkompensation angewendet wird (Fig. 8), und daß die Frequenzvariation wirksam durch die Temperaturkompensation auf ±6,7 MHz (Fig. 3), ±7,0 MHz (Fig. 4) und ±9,9 MHz (Fig. 5) unterdrückt wird.
Fig. 6 zeigt die Abweichung der Frequenz gegenüber der erwarteten Frequenz bei 0°C, 30°C und 60°C, gemessen durch eine experimentelle Frequenzverschiebung in einem Frequenzband von 0,8 GHz bis 2,8 GHz. In der Fig. 6 sind die einzelnen Meßpunkte durch leere Kreise, ausgefüllte Kreise und Dreiecke jeweils für die Temperaturen 0°C, 30°C und 60°C angegeben. Das Experiment zeigte, daß die temperaturabhängige Frequenzvariation auf einen Bereich von weniger als ±5 MHz unterdrückt wird, wenn der ferromagnetische Resonator gemäß der Erfindung mit über ein weiteres Frequenzband veränderlicher Frequenz betrieben wird.
In Fig. 2 sind diejenigen Teile, die den Teilen gemäß Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß deren Beschreibung fortgelassen werden kann. Während der Elektromagnet des ersten Ausführungsbeispieles eine Frequenzsteuerspule 6 und eine Temperaturkompensationsspule 7 beinhaltet, hat der Elektromagnet 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Spule 67, die sowohl die Spule 6 wie auch die Spule 7 ersetzt. In dem zweiten Ausführungsbeispiel addiert eine Addierschaltung 13 eine Temperaturkompensationsspannung V₂, die durch einen Tießpaßfilter 11 erzeugt wird, und eine Frequenzsteuerspannung V₁, und legt die Summenspannung V₁+V₂ an eine Treiberschaltung 12. Daraufhin erzeugt die Treiberschaltung 12 einen Strom I₁+I₂, der der Spannung V₁+V₂ entspricht, und führt diesen den Spulen 67 zu. Das zweite Ausführungsbeispiel arbeitet nach den gleichen Prinzipien, die in den Gleichungen (2), (3) und (4) angegeben sind, wie das erste Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, daß die Gesamtzahl N der Wicklungen der Spule 67 die Größen N₁ und N₂ in den Gleichungen (2), (3) und (4) ersetzt. Ebenfalls wird in dem zweiten Ausführungsbeispiel die Resonanzfrequenz f nicht durch Temperaturvariationen beeinflußt und hängt lediglich von der Steuerspannung V₁ ab.
Bei dem ferromagnetischen Resonator 20 sowohl des ersten wie auch des zweiten Ausführungsbeispieles wird ein Magnetfeld zu dem ferrimagnetischen Resonatorelement 1 lediglich durch den Elektromagneten 2 angelegt. Die Erfindung ist jedoch auch auf einen ferromagnetischen Resonator mit einer festen Frequenz anwendbar, bei dem ein festes magnetisches Feld an das ferrimagnetische Resonatorelement 1 mittels eines Permanentmagneten und ein Temperaturkompensationsmagnetfeld an das Resonatorelement 1 durch einen Elektromagneten angelegt wird. Fig. 7 zeigt die Struktur eines derartigen ferromagnetischen Resonators in einem dritten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
In der Fig. 7 werden diejenigen Teile, die den Teilen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß deren Beschreibung fortgelassen werden kann. In dem dritten Ausführungsbeispiel enthält ein magnetischer Kreis 5 Magnetkerne 5A₁ und 5A₂ jeweils mit mittigen Magnetpolen 5B₁ und 5B₂ sowie jeweils an den Enden der mittigen Magnetpole 5B₁ und 5B₂ angebrachte Permanentmagnete 14. Ein ferrimagnetisches Resonatorelement 1 ist in einem Magnetspalt angeordnet, der zwischen den Permanentmagneten 14 gebildet wird.
Spulen 67 sind an den mittigen Magnetpolen 5B₁ und 5B₂ jeweils angebracht. Die Summe der Anzahl der Windungen oder Wicklungen der Spulen 67 beträgt N. In dem dritten Ausführungsbeispiel kann die Resonanzfrequenz f folgendermaßen ausgedrückt werden:
f = γ{Hg(T) - (Nz-N)T · 4πMs(T)} (8)
Das Spaltmagnetfeld Hg, das dem an das ferrimagnetische Resonatorelement 1 angelegten Magnetfeld entspricht, kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Hg(T) = lmBr(T)/µrlg + N·I/lg (9)
wobei lm, Br und µr die Dicke, die Remanenz und die Permeabilität des Permanentmagneten 14 angegeben. Wenn Br als fester Anteil Br⁰ und als veränderlicher Teil ΔBr(T) ausgedrückt wird und wenn dieser feste und dieser veränderliche Anteil in die Gleichung (9) eingesetzt werden, ergibt sich:
Hg(T) = lm{Br⁰ + ΔBr(T)}/µrlg + N·I/lg (10)
Die Sättigungsmagnetisierung 4πMs(T) kann also in einen festen Anteil 4πMs⁰ und in einen veränderlichen Anteil Δ4πMs(T) aufgeteilt werden. Daher gilt:
4πMs(T) = 4πMs⁰ + Δ4πMs(T) (11)
durch Einsetzung der Gleichungen (10) und (11) in die Gleichung (8) erhält man:
f = γ{lmBr⁰/µrlg - (Nz-NT) · 4πMs⁰ + lmΔBr(T)/µrlg
+ N·I/lg - (Nz-NT) · Δ4πMs(T)} (12)
Wenn demzufolge der Strom I folgendermaßen festgelegt wird:
N·I/lg = (Nz-NT) · Δ4πMs(T) - lmΔBr(T)/µrlg (13)
und dieser Strom I zu den Spulen 67 durch den magnetischen Kreis 5 zugeführt wird, werden der dritte und vierte Term der Gleichung (12) eliminiert. Daraus folgt:
f = γ{lmBr⁰/µrlg - (Nz-NT) · 4πMs⁰} (14)
Daher wird die Resonanzfrequenz f in einer festen Höhe unabhängig von der Temperatur gehalten.
Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, werden gemäß der Erfindung die Temperaturgänge des ferromagnetischen Resonators über einen innerhalb eines breiten Frequenzbandes veränderlichen Frequenzbereich ebenso wie für einen ferromagnetischen Resonator mit fester Frequenz verbessert, in dem temperaturabhängige Frequenzvariationen beseitigt werden.
Da weiterhin die temperaturabhängige Variation der Resonanzfrequenz direkt zum Spaltmagnetfeld rückgeführt wird, in dem das ferrimagnetische Resonatorelement liegt, wird eine temperaturabhängige Variation der Resonanzfrequenz kompensiert. Damit weicht die Erfindung von ihrem Prinzip her von Resonatoren ab, die ein zusätzliches Frequenzsteuerelement verwenden, wie beispielsweise eine Varactor-Diode, und bei denen die Rückkopplung der temperaturabhängigen Veränderung der Frequenz zu dem Frequenzsteuerelement erfolgt. Daher wird der ferromagnetische Resonator nach der Erfindung in seinem Aufbau im Vergleich mit dem konventionellen ferromagnetischen Resonator erheblich einfacher. Wie oben angegeben wurde, wird die temperaturabhängige Variation der Frequenz unabhängig von der Betriebsfrequenz bei Verwenden eines ferromagnetischen Resonators als Frequenzerzeugungsgerät für ein breites Frequenzband durch Verwenden von Daten eliminiert, die derart vorcodiert sind, daß eine feste Betriebsfrequenz fs erreicht wird, wobei diese Daten in dem ROM gespeichert sind. Diese Eliminierung der temperaturabhängigen Veränderung der Frequenz ist nur dann möglich, wenn die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und dem Spaltmagnetfeld gemäß Gleichung (1) und somit die Beziehung zwischen dem Vormagnetfeld und dem Spulenstrom linear ist, was auf einen für magnetische Resonatoren spezifischen Prinzip basiert. Demgemäß sind Geräte mit veränderlicher Frequenz, die eine Varactor-Diode verwenden, welche beispielsweise als VCO (spannungsgesteuerter Oszillator) arbeitet, in ihrer Beziehung nicht linear und somit abweichend vom Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung.

Claims (6)

1. Ferromagnetischer Resonator
mit einem ferrimagnetischen Resonatorelement, das aus einem ferrimagnetischen Dünnfilm gebildet ist, und
mit einer Vormagnetfeldeinrichtung zum Anlegen eines Vormagnetfeldes senkrecht zu einer Hauptfläche des ferrimagnetischen Dünnfilmes,
gekennzeichnet durch
einen Temperaturdetektor (3) zum Erfassen der Temperatur des ferrimagnetischen Resonatorelementes (1),
eine Kompensationsschaltung (4) mit vorkodierten Kompensationsdaten, die ein Kompensationssignal in Reaktion auf die durch den Temperaturdetektor (3) erfaßte Temperatur erzeugt,
eine Spuleneinrichtung (7, 67) zum Erzeugen eines Kompensationsmagnetfeldes, das an das ferrimagnetische Resonatorelement (1) angelegt wird, mit einem Kompensationsstrom in Reaktion auf das Kompensationssignal,
wobei die Kompensationsschaltung (4) einen Analog- Digital-Wandler (8) zum Umwandeln des Temperatursignales in ein Digitalsignal, eine Speicherschaltung (9) mit vorkodierten Kompensationsdaten in Reaktion auf das die Temperatur darstellende Digitalsignal und eine Treiberschaltung (12) aufweist, die einen Kompensationsstrom (I₂) in Reaktion auf die digitalen Kompensationsdaten erzeugt, und
die Spuleneinrichtung (7) mit dem Kompensationsstrom (I₂) versorgt wird und das Kompensationsmagnetfeld senkrecht zu der Hauptfläche des ferrimagnetischen Dünnfilmresonatorelementes (1) erzeugt.
2. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferrimagnetische Dünnfilm durch einen ferrimagnetischen YIG-Dünnfilm gebildet wird.
3. Ferromagnetischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetfeldeinrichtung durch einen Elektromagneten (2) mit einer Spule (6) und der Treiberschaltung (12) zum Erzeugen des Vormagnetfeldes gebildet ist.
4. Ferromagnetischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetfeldeinrichtung durch einen Permanentmagneten (14) gebildet wird.
5. Ferromagnetischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorkodierten Kompensationsdaten in der Weise erhalten werden, daß der ferromagnetische Resonator (20) mit einer festen vorbestimmten Frequenz unter verschiedenen Temperaturen betrieben wird und daß zusätzliche Ströme zum Aufrechterhalten der festen vorbestimmten Frequenz, die bei den jeweiligen Temperaturen benötigt werden, gemessen und in einer Speicherschaltung (9) abgespeichert werden.
6. Ferromagnetischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Paar von Magnetkernen (5A₁, 5A₂) jeweils mit einem mittigen magnetischen Pol (5B₁, 5B₂) und einem kreisförmigen Wandabschnitt, wobei sich die Magnetkerne (5A₁, 5A₂) zum Bilden eines Spaltes (g) zwischen den mittigen Magnetpolen (5B₁, 5B₂) einander gegenüberliegen, und wobei das ferrimagnetische Resonatorelement (1) in dem Spalt (g) angeordnet ist.
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