DE3927347A1 - Ausgestaltung von magneten fuer ferromagnetische resonatoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung liegt im Bereich ferromagnetischer Resonatoren und betrifft insbesondere die Geometrie der physikalischen Ausgestaltung der Polstücke von den in ferromagnetischen Resonatoren verwendeten Elektromagneten zur Ermöglichung ihres Betriebs bei höheren Frequenzen.

Bei magnetisch abstimmbaren Filtern und Oszillatoren mit Ferrit- Resonatoren wie beispielsweise einem Yttrium-Eisen-Granat (YIG) werden seit vielen Jahren Abstimmagneten mit verhältnismäßig langen, zylinderförmigen Polen mit abgeschrägten Spitzen verwendet. Fig. 1 zeigt einen derartigen Abstimmagneten aus dem Stand der Technik.

Um die Hysterese zu verringern, ist der Magnet üblicherweise aus einer Legierung aus zu ungefähr gleichen Teilen Nickel und Eisen hergestellt. Bei Verwendung dieser Legierung in der oben beschriebenen Ausgestaltung eines Magneten des Standes der Technik jedoch verliert sich die Abstimmlinearität bei Frequenzen oberhalb 20 GHz.

Eine Abstimmung auf höhere Frequenzen bei der Ausgestaltung nach dem Stand der Technik läßt sich durch Verwendung einer Legierung erreichen, welche eine höhere Magnetflußdichte aufnehmen kann. Wenn die Nickel-Eisen-Legierung durch eine Kobalt-Eisen-Legierung ersetzt wird, so ermöglicht diese höhere Flußdichten und daher Betrieb bei höheren Frequenzen; die bei dieser Kobalt-Eisen- Legierung auftretende Hysterese ist jedoch ungefähr zwanzigfach höher als die der Nickel-Eisen-Legierung. Für viele Anwendungen ist jedoch dieses Maß an Hysterese völlig unannehmbar, da es dann schwierig wird, das Verhältnis zwischen dem an die Spulen angelegten Strom und der sich ergebenden Frequenz vorherzubestimmen, da es von der Geschichte des früheren Betriebs sowie von der gegenwärtig angelegten Stromstärke abhängt.

Ein Teil des Problems mit alternativen Legierungen und der zusätzlichen Hysterese, die sie erzeugen, läßt sich durch die Verwendung von begrenzten Mengen der Legierung mit hoher Hysterese an den kritischsten Stellen des Magnetpolaufbaus überwinden. Eine dünne Schicht der Legierung mit hoher Hysterese wird an der Polspitze aufgebracht, um die Sättigungseffekte zu minimalisieren, wohingegen der übrige Teil des Poles aus einer Legierung mit geringerer Hysterese besteht, die leichter sättigt. Dieser Ansatz ermöglicht eine wirkungsvolle Koordination der beiden konkurrierenden Ziele maximaler Magnetflußdichte und minimaler Hysterese.

Bei ferromagnetischen Resonatoren wurde herkömmlicherweise eine verhältnismäßig lange, zylindrische Polwelle verwendet, die in einer abgeschränkten Spitze ausläuft, wobei der Bereich der Spitze weitaus kürzer als die übrige Polwelle gehalten ist. Alternative Polausgestaltungen wurden bei der Konstruktion von großen Hochleistungsmagneten verwendet, insbesondere im Bereich der Magneten mit äußerst hoher Leistung, wie sie in der Forschung und in der hochenergetischen Physik verwendet werden. Diese vergleichsweise exotischen Polausgestaltungen wurden jedoch zu keiner Zeit im Bereich ferromagnetischer Resonatoren, wie beispielsweise diejenigen in YIG-Filtern und Oszillatoren, verwandt.

Es ist folglich eine Ausgestaltung eines Elektromagneten für ferromagnetische Resonatoren mit höheren Magnetflußdichten an der Spitze ohne den gleichzeitigen erheblichen Nachteil erhöhter Hysterese erwünscht, wodurch ein Betrieb der ferromagnetischen Resonatoren bei höheren Frequenzen ermöglicht werden soll.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ferromagnetischen Resonator mit verbessertem Hochfrequenzverhalten, welches sich aus der optimierten Ausgestaltung des Polstücks des Elektromagneten ergibt. Die Ausgestaltung des Polstückes des Elektromagneten wird durch Ersetzen der längeren, zylindrischen Polwellen nach dem Stand der Technik durch kürzere, sich verjüngende Polwellen verbessert. Durch diese kürzere, sich verjüngende Welle werden Beschränkungen im Bereich des Magnetflusses verringert, wodurch eine verbesserte Flußdichte an der Magnetspitze und dementsprechend ein verbesserter Betrieb des ferromagnetischen Resonators bei hohen Frequenzen ermöglicht wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines Abstimmagneten nach dem Stand der Technik für einen ferromagnetischen Resonator,

Fig. 2A eine Darstellung der Ausgestaltung des Abstimmagneten nach der vorliegenden Erfindung mit linearer Verjüngung zur Erzeugung verschiedener Durchmesser,

Fig. 2B eine Darstellung der Ausgestaltung eines Abstimmagneten der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Reihe von Abstufungen zur Erzeugung der verschiedenen Durchmesser,

Fig. 2C eine Darstellung der Ausgestaltung des Abstimmagneten der vorliegenden Erfindung unter Ausnutzung der natürlichen Krümmung zur Erzeugung der verschiedenen Durchmesser,

Fig. 3 eine Darstellung eines Magnetpols gemäß vorliegender Erfindung, bei dem eine zweite Legierung an der Polspitze verwendet wurde,

Fig. 4 eine Maßzeichnung des Polstücks der Erfindung, bei der die für eine bevorzugte Ausführungsform gewählten Maße gezeigt werden.

Unter Bezugnahme zunächst auf Fig. 1 weisen die Magnetpolstücke 110 nach dem Stand der Technik herkömmlicherweise zwei Bereiche auf: eine kurze, abgeschrägte Spitze 115 und eine lange, zylindrische Welle 120. Die Spulen 130 sind so angeordnet, daß ihre Magnetflußfelder auf den zylindrischen Wellenteil 120 der Polstücke 110 ausgerichtet sind. Ein Gehäuse 140 umschließt die Polstücke 110 und die Spulen 130 und bildet eine Rückflußbahn mit geringem magnetischem Widerstand für das Magnetfeld zwischen den beiden Polstücken. Zwischen den beiden abgeschrägten Spitzen 115 ist ein Luftspalt 150 vorgesehen, der einen Bereich hohen magnetischen Widerstands darstellt. Ein oder mehrere ferromagnetische, kristallische Resonatorelemente 160 werden mittels Vorrichtungen (nicht dargestellt) in dem Luftspalt 150 zwischen den beiden abgeschrägten Spitzen 115 gehalten. Es ist hierbei das Ziel, ein gleichförmig starkes Magnetfeld im Bereich der ferromagnetischen kristallischen Resonatorelemente 160 zu erhalten.

Im Betrieb wird eine Spannung an die Spulen 130 angelegt, wodurch ein Stromfluß durch diese Spulen angeregt wird und ein Magnetfeld entsteht, welches primär in der Bahn mit geringem magnetischem Widerstand, die durch die Polstücke 110 und das Gehäuse 140 verläuft, konzentriert ist. Die abgeschrägten Spitzen 115 der Polstücke 110 konzentrieren das Magnetfeld durch den Luftspalt 150 und die darin enthaltenen ferromagnetischen kristallischen Resonatorelemente 160.

Die Resonanzfrequenz der ferromagnetischen, kristallischen Resonatorelemente 160 wird durch die Stärke des angelegten Magnetfeldes bestimmt. Eingangskoppelvorrichtungen (nicht dargestellt) legen elektrische Signale an die ferromagnetischen kristallischen Resonatorelemente 160 an, die als Reaktion auf diese innerhalb ihrer von der Magnetfeldstärke bestimmten Bandbreite liegenden elektrischen Signale schwingen. Ausgangskoppelvorrichtungen (ebenfalls nicht dargestellt) tasten die Energie von den ferromagnetischen, kristallischen Resonatorelementen 160 ab und geben das sich ergebende bandbreitengefilterte elektrische Ausgangssignal nach außen ab.

Ferromagnetische Resonatoren mit nach dem Stand der Technik ausgebildeten Polstücken neigten bereits zur Sättigung bei Flußdichten, die ziemlich unterhalb der theoretischen Grenzen für die verwendeten Werkstoffe lagen. Bei Erforschung der Gründe für diese Neigung wurde festgestellt, daß die Flußdichte zunächst in der Nähe des rechtwinkligen Übergangs zwischen dem zylindrischen Polstück und dem Magnetgehäuse sättigend war. Die weitere Untersuchung ergab, daß jede Ausgestaltung, die diese Einschränkung durch Erhöhung des effektiven Durchmessers des Polstückes in dem diesem Übergang am nächsten liegenden Bereich verringerte, zu einer Erhöhung der gesamten an dieser Polspitze verfügbaren Flußdichte beitrug. Die Flußlinien bevorzugen hierbei eine natürlich gekrümmte Bahn ohne die scharfen Kurven, die bei der Ausgestaltung nach dem Stand der Technik auferlegt waren; es handelt sich hierbei um eine Bahn, die sich derjenigen Bahn stärker annähert, welche die Flußlinien nähmen, wenn die gesamte Umgebung gleichförmigen magnetischen Widerstand hätte.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2A sowie auf Fig. 1 berücksichtigt die verbesserte Magnetausgestaltung der vorliegenden Erfindung die voranstehend beschriebene Erkenntnis. Die zylindrische Polwelle 120 wurde durch eine kürzere und sich verjüngende Polwelle 220 ersetzt. Sowohl das Gehäuse 240 als auch die Spulen 230 wurden verändert, um die sich hieraus ergebenden Unterschiede in der Form des neuen Pols 210 aufnehmen zu können. Dieselben Prinzipien lassen sich auch auf ovale oder sogar rechteckige Polstücke anwenden. Die einzige Erfordernis besteht darin, das Gehäuseende der Polwelle 220 geringfügig in bezug auf das Spitzenende zu vergrößern, damit das Magnetfeld sich ausbreiten kann und eine sanftere Krümmung in das Gehäuse 240 aufweist. In den Fig. 2B und 2C läßt sich dasselbe Prinzip, nämlich das Gehäuseende der Polwelle größer als das Spitzenende der Polwelle auszuführen, auch durch andere Ausgestaltungen anwenden, die eine Ausbreitung der Felddichte auf das Gehäuseende der Polwelle ermöglichen. Fig. 2B zeigt einen treppenstufenartigen Ansatz zur Verbreiterung des Gehäuseendes der Polwelle 220′. Dieser Ansatz ermöglicht es, daß die Windungen der Spule 230′ von den "Treppenstufen" der Polwelle 220′ gestützt werden. Fig. 2C zeigt eine natürliche Kurve, wie beispielsweise eine logarithmische Kurve, die als Form der Seiten der Polwelle 220′′ dient. Dieser Ansatz ist zwar schwieriger in der Herstellung, entspricht jedoch am ehesten der natürlichen Krümmung der Magnetflußlinien in einem Medium von gleichförmigem magnetischem Widerstand.

Als Folge dieser Veränderungen erhält man einen Magneten, der eine höhere Flußdichte in dem Bereich des Luftspaltes 250 aufweist, wodurch der gesamte ferromagnetische Resonator auf eine weitaus höhere Frequenz abstimmbar wird. Wenngleich Resonatoren der herkömmlichen Ausgestaltung mit einer Legierung aus 50% Nickel und 50% Eisen sich lediglich linear über einen Frequenzbereich von 2 GHz bis ungefähr 20 GHz abstimmen ließen, erreichen nun Resonatoren mit der neuartigen Polausgestaltung und derselben Legierung Frequenzen von bis zu 40 GHz. Ferner ermöglicht die Verwendung dieser Technik in Verbindung mit einer anderen, nachstehend beschriebenen Technik eine noch weitere Ausdehnung des Frequenzbereichs in die Nähe von 60 GHz.

In vielen Anwendungen, bei denen ferromagnetische Resonatoren eingesetzt werden, wird die Stärke des angelegten Magnetfeldes systematisch im Laufe der Zeit variiert, um so ein gewobbeltes Frequenzausgangssignal zu erhalten. Unter diesen Umständen stellt die Hysterese des Elektromagneten ein Problem dar, da die Frequenz des Resonators von der Vorgeschichte des angelegten Magnetfeldes abhängt sowie von dem Stromzustand des angelegten Magnetfeldes. Aus diesem Grund sind Magneten mit gewissen Legierungen, wie beispielsweise 80% Nickel und 20% Eisen, mit geringer Hysterese für viele Anwendungen wünschenswert. Es besteht jedoch im allgemeinen eine Korrelation zwischen Hysterese und Permeabilität, so daß stets ein Kompromiß zwischen den zur Minimalisierung der Hysterese optimalen Werkstoffen und den zur Maximalisierung der Magnetfeldstärke am besten geeigneten Werkstoffen getroffen werden muß, bevor eine Sättigung eintritt.

Diese Koordination der Sättigungseigenschaften und der Hystereseeigenschaften läßt sich durch die Verwendung einer Polspitze erleichtern, welche an ihrem Ausgangsende eine Endschicht einer Legierung mit höherer Hysterese und höherer Sättigung hat. In Fig. 3 ist eine geringe Schicht einer Kobalt- Eisen-Legierung (50% zu 50%) als Kappe 325 auf dem abgeschrägten Spitzenteil 315 des Polstücks 310 zu sehen. Die geringe Größe dieser Schicht minimalisiert die negativen Hysterese-Effekte, während ihre Anordnung an dem Punkt, wo das Magnetfeld am konzentriertesten ist, den Nutzen seiner Verwendung zur Steigerung der Flußdichte an der wichtigsten Stelle optimalisiert.

Fig. 4 ist eine Maßzeichnung der bevorzugten Ausführung der Erfindung. Die in dieser Ausführungsform verwendeten Maße sind aus der folgenden Tabelle ersichtlich:

Tabelle der verwendeten Masse

Im allgemeinen sind die kritischen Parameter für die Durchführ- und Anwendbarkeit der Erfindung das Verhältnis Ls/Di und der Verjüngungswinkel At. Damit die Welle ausreichend kurz ist, sollten das Verhältnis der Länge der Welle, Ls, und der lnnendurchmesser der Welle, Di, 2,5 zu 1 nicht überschreiten. Damit das Gehäuseende der Welle in seinem Durchmesser im Verhältnis zum Spitzenende der Welle ausreichend größer ist, sollte der Verjüngungswinkel, At, nicht unter 10 Grad liegen. Werte unterhalb diesem würden zwar noch den gewünschten Nutzen bringen, zur völligen Ausnutzung der Vorteile dieser Erfindung jedoch sind minimale Werte für diese Parameter erforderlich.

Der Abschrägungswinkel, Ab, wird üblicherweise mit 60 Grad gewählt, wenngleich die in zahlreichen Texten und Artikeln zu diesem Thema angegebene theoretische Berechnung des Komplements dieses Winkels einen Wert von 54 Grad, 44 Minuten ergibt. Dieser theoretische Wert ist für ein völlig gesättigtes Polstück angegeben, daher werden in der Praxis überlicherweise einige Grade hinzugerechnet, um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß die meisten wirklichen Polstücke normalerweise nicht völlig gesättigt sind.

Der in Fig. 4 dargestellte Winkel A ist der Winkel zwischen der Spitzenfläche und der Mittelachse des Pols. Es wäre zu erwarten, daß er 90 Grad beträgt, in der Praxis jedoch ziehen zahlreiche Hersteller und Anwender dieser Magneten einen Winkel von statt dessen 89 Grad vor. Da beide gegenüberliegende Polflächen von der Rechtwinkligkeit zu den Polachsen um dieses eine Grad abweichen, läßt sich die Drehung der Polstücke zur Einstellung der Gleichförmigkeit des in dem Zwischenraum vorherrschenden Feldes einsetzen, um eine Abstimmbarkeit für die ferromagnetischen kristallischen Schwingelemente, die in dem Zwischenraum hängen, zu erhalten. Bei der Verwendung von mehrfachen Schwingelementen ist dies ein besonders wichtiger Aspekt.

In der bevorzugten Ausführung des ferromagnetischen Resonators, bei dem als erstes die vorliegende Erfindung verwendet wurde, ist das ferromagnetische kristallische Schwingelement statt aus YIG aus einer Lithium-Aluminium-Eisen-Legierung, da eine geringere Q Bandpaßeigenschaft erwünscht war.

Es wurde zwar eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben, es ist jedoch dem Fachmann offensichtlich, daß zahlreiche Veränderungen und Modifikationen durchführbar sind, ohne dabei von der Erfindung in ihrem breiteren Rahmen abzugehen. Die Ansprüche sind daher dazu gedacht, alle Veränderungen und Modifikationen, die im wahren Umfang und Konzept der Erfindung liegen, abzudecken.

Claims (6)

1. Ferromagnetischer Resonator, gekennzeichnet durch

• - ein ferromagnetisches, kristallisches Schwingelement (260); und
• - einen Elektromagnet zur Anlegung eines regelbaren Magnetfelds an das ferromagnetische kristallische Schwingelement, der sich aus folgenden Elementen zusammensetzt:
• - einem Polstück mit einer Polspitze (215) und einer Polwelle (220) mit Gehäuseende und Spitzenende, wobei das Gehäuseende der Polwelle größere Querschnittsabmessungen hat als das Spitzenende, und die maximale Länge der Polwelle kleiner ist als die zweieinhalbfache längste Querschnittsabmessung der Polwelle an dem Spitzenende;
• - eine Spule (230) zur Magnetisierung des Polstücks mit einem Magnetfeld; und
• - ein Gehäuse (240), welches als Rückflußbahn mit geringem Widerstand für das von der Spule in dem Polstück erzeugte Magnetfeld dient.

2. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polspitze (215) eine äußere Schicht (325) einer Legierung mit verhältnismäßig hoher Permeabilität und Hysterese und eine innere Schicht (315) einer Legierung mit verhältnismäßig geringer Permeabilität und Hysterese aufweist.

3. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mit der vergleichsweise höheren Permeabilität und Hysterese im wesentlichen aus Kobalt und Eisen besteht, und die Legierung mit der verhältnismäßig geringeren Permeabilität und Hysterese sich im wesentlichen aus Nickel und Eisen zusammensetzt.

4. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die größeren Querschnittsabmessungen der Polwelle am Gehäuseende auf eine lineare Verjüngung zwischen dem Spitzenende und dem Gehäuseende zurückzuführen sind.

5. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die größeren Querschnittsabmessungen der Polwelle am Gehäuseende durch eine Reihe von Abstufungen zwischen dem Spitzenende und dem Gehäuseende bedingt sind.

6. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die größeren Querschnittsabmessungen der Polwelle am Gehäuseende durch eine Krümmung zwischen dem Spitzenende und dem Gehäuseende zustande kommen.