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Die
Erfindung betrifft einen Zirkulator und insbesondere einen Zirkulator
zum Einsatz bei Mikrowellenanwendungen.
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Zirkulatoren
werden üblicherweise
verwendet, um eine Reihe von Ports, in der Praxis drei, miteinander
in solcher Weise zu verbinden, dass ein Signal, das in den Zirkulator
an einem der Ports eintritt, nur in einer Richtung laufen kann:
z. B. von Port 1 zu Port 2 (aber nicht zu Port 3), von Port 2 zu
Port 3 (aber nicht zu Port 1) oder von Port 3 zu Port 1 (aber nicht
zu Port 2). Wenn einer der Ports mit einer abgestimmten Last verbunden
ist, fungiert die Einrichtung als ein Isolator; hierbei können Signale
zwischen den anderen beiden Ports in nur einer Richtung fließen.
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Beispiele
für herkömmliche
Zirkulatoren und eine typische Zirkulatoranordnung sind in den 1(a), 1(b) und 2 gezeigt. 1(a) zeigt den Aufbau eines bekannten Zirkulators,
der aus einem Gehäuse 10 mit
zwei Hälften 11 und 12 besteht, wobei
jede Gehäusehälfte eine
Aussparung 13, 14 zum Aufnehmen eines Permanentmagneten 15, 16 aufweist
und außerdem
ein Ferritelement 17, 18 aufweist. Die Gehäusehälften werden
durch einen Halbschalenprozess erzeugt, wobei die Aussparungen 13, 14 und
andere Diskontinuitäten
(z. B. die Wandlerstufenabschnitte 19) durch Fräsen ausgebildet werden
und, während
des Zusammenbaus, die beiden mit den Ferriten und Magneten vervollständigten Gehäusehälften zusammengebracht
werden und durch geeignete Mittel befestigt werden, sodass ein vollständiges Gehäuse gebildet
wird. Eine Draufsicht einer solchen Struktur entlang des Mittelschnitts
ist in 2 gezeigt, wobei zu sehen ist, dass die untere Hälfte des
vollständigen
Gehäuses 10 mit
ihrem zugehörigen
Ferrit 18 über
die jeweiligen Wandlerabschnitte 23, 24, 25 mit
drei Mikrowellen-Wellenleiteranschlüssen 20, 21, 22 gekoppelt
ist.
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Eine
alternative Ausführung
der Einrichtung aus 1(a) ist
in 1(b) gezeigt. Hierbei kommen im
Gegensatz zu der symmetrischen Anordnung aus 1(a) nur
ein Ferrit 18 und Permanentmagnet 16 zur Anwendung,
und die Wandlerstufe weist Stufen nur in derjenigen Gehäusehälfte auf,
in welcher diese beiden Elemente aufgenommen sind.
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Das
Leistungsverhalten eines solchen Zirkulators hängt stark von einer Reihe von
Faktoren ab: hauptsächlich
der Größe und Gleichförmigkeit
des Luftspalts 26 zwischen dem Ferrit und dem oberen Gehäuse (1(b)) oder zwischen den beiden Ferriten (1(a)) sowie der Mittigkeit der Anordnung des Ferrits/der
Ferrite in dem Gehäuse.
Es ist klar, dass das Leistungsverhalten deutlich von den Herstellungs-
und Montagetoleranzen abhängt,
wie sie in 3 dargestellt sind. Was die
Unsicherheiten bezüglich
der Größe des Luftspalts
(Dimension A) betrifft, so bestehen die hauptsächlich beitragenden Faktoren
aus den Toleranzen in den Abmessungen des Ferrits (Dimension B)
und der Gehäuseanordnung
(Dimension C) sowie den Toleranzen der Dicke der Adhäsivschicht
(Dimension D), mit welcher der Ferrit an dem Gehäuse befestigt wird. Was die
Unsicherheiten bei der Positionierung des Ferrits in dem Gehäuse betrifft,
bei welcher herkömmlicherweise ein
Messgerät
oder eine Schablone genutzt wird, um den Ferrit zu positionieren,
so sind auch Toleranzen bezüglich
der Genauigkeit eines solchen Messgeräts oder einer Schablone in
Rechnung zu ziehen.
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Entsprechend
einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Zirkulator zur Verfügung gestellt,
der ein Gehäuse
aus einer ersten und einer zweiten Hälfte und, in einem Mittelteil
der ersten Gehäusehälfte und
an dieser befestigt, ein Ferritelement mit einem zugehörigen Magneten
umfasst, wobei das Ferritelement mit Hilfe eines Klebstoffes in
der ersten Gehäusehälfte befestigt
ist, der zwischen einer Seitenfläche des
Ferritelements und der ersten Gehäusehälfte aufgebracht wird.
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Um
eine exakte Platzierung des Ferritelements sicherzustellen, wird
das Ferritelement vorzugsweise in einer Ausnehmung aufgenommen,
die in der ersten Gehäusehälfte ausgebildet
ist. Vorzugsweise ist die Ausnehmung derart dimensioniert, dass zwischen
dem Ferritelement und der Ausnehmung im Wesentlichen kein Spiel
besteht. Vorteilhafterweise bilden die Ausnehmung und das Ferritelement
zumindest eine reibungsschlüssige
Passung miteinander, und vorzugsweise eine Presspassung.
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Vorteilhafterweise
ist das Ferritelement in der Ausnehmung mit Hilfe des Klebstoffes
befestigt, der zwischen der Seitenfläche des Ferritelements und
einer entsprechenden Seitenfläche
der Ausnehmung aufgebracht wird. Vorzugsweise wird der Klebstoff
in Rillen eingebracht, die als Erweiterungen der Ausnehmung in der
ersten Gehäusehälfte in
Abständen
um den Umfang der Ausnehmung herum ausgebildet sind. Bei einer bevorzugten
Realisierung sind drei Rillen um den Umfang der Ausnehmung herum mit
ungefähr
gleichen Abständen
zueinander ausgebildet. Der Klebstoff wird vorteilhafterweise derart aufgebracht,
dass er einen Klebstoffwulst an den Rillen bildet, wobei der Wulst
durch Sichtüberprüfung einfach
zu erkennen ist.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung soll nun, lediglich beispielshalber, mit Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
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1(a) und 1(b) zwei
Ausführungsformen
eines bekannten Zirkulators in einem seitlichen Schnitt darstellen,
während 2 eine
Draufsicht durch eine Ebene II-II der beiden Ausführungsformen ist;
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3 den
Zirkulator aus 1(b) darstellt, wobei Toleranzen
veranschaulicht sind, die bei der Herstellung des Zirkulators eine
Rolle spielen;
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4 eine
teilweise geschnittene Ansicht eines Zirkulators entsprechend der
Erfindung darstellt;
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5 eine
teilweise geschnittene Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform
eines Zirkulators entsprechend der Erfindung darstellt;
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6 einen
bevorzugten Modus zum Befestigen des Ferrits an der Gehäusehälfte eines
Zirkulators entsprechend der Erfindung veranschaulicht; und
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7 eine
symmetrische Version der in 4 dargestellten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Kehren
wir nun zu 4 zurück, so zeichnet sich der erfindungsgemäße Zirkulator
durch drei Maßnahmen
aus, von denen jede zu einer Reduzierung der Unsicherheit bezüglich des
Leistungsverhaltens aufgrund von Herstellungstoleranzen beiträgt und die
zusammen ein Leistungsverhalten mit besserer Bestimmtheit gewährleisten.
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In 4 ist
die obere Gehäusehälfte 11 in
einem lokalen Bereich 30 ausgefräst, um eine Aussparung 31 bereitzustellen,
welche den größten Teil
der Tiefe der Gehäusehälfte ausmacht.
Der Teil des Gehäuses,
der nach diesem Fräsvorgang übrig bleibt, dient
als eine Membran 32, die dünn genug ist, um in der durch
den Doppelpfeil gezeigten Richtung elastisch verformbar zu sein.
Der Luftspalt stellt den Zwischenraum zwischen dem Ferrit und der
Unterseite dieser Membran 32 dar. Um eine Anpassung dieses Luftspalts
zu ermöglichen,
wird ein Einstellelement 33 in die Aussparung eingefügt, welches
dafür ausgelegt
ist, mit variabler Kraft gegen die Oberseite der Membran zu drücken. Da
die Membran in ihrem natürlichen
Zustand unverformt und parallel zu der Gehäusefläche 34 ist, wird die
einzige Verformungskraft bei dieser Anordnung eine in Richtung nach
unten sein, sodass die Membran näher
an den Ferrit heran gedrückt
wird, wodurch der Luftspalt reduziert wird. Angesichts des einseitig
gerichteten Wesens dieser Einstellung sollte der uneingestellte
Luftspalt größer sein
als derjenige, der im tatsächlichen
Einsatz erforderlich ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung, und wie in 4 gezeigt ist, nimmt das Einstellelement
vorzugsweise die Form einer Schraube an, die ein Gewinde aufweist,
welches mit einem in der Aussparung 31 ausgeführten entsprechenden
Gewinde gepaart wird. Die Schraube ist aus einem magnetischen Material
(vorzugsweise Stahl) hergestellt und wirkt als ein Magnetjoch.
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Die
verbleibenden zwei Maßnahmen,
die getroffen werden, um die Bestimmtheit des Leistungsverhaltens
zu verbessern, liegen im Bereich der Befestigung des Ferritelements
an dem Gehäuse.
Zunächst
wird, anstatt dass der Ferrit direkt auf der Oberseite 35 der
Gehäusehälfte befestigt
wird (siehe 3), zuerst eine Ausnehmung 36 in
dieser Gehäusehälfte ausgebildet
und der Ferrit dann in diese Ausnehmung eingefügt. Die seitlichen Abmessungen (Durchmesser)
der Ausnehmung in Relation zu den seitlichen Abmessungen (Durchmesser)
des Ferrits sollten derart vorgesehen sein, dass eine möglichst geringe
Bewegung des Ferrits in der Ausnehmung möglich ist. In der Praxis sollten
die relativen Abmessungen des Ferrits und der Ausnehmung 36 zumindest
eine reibungsschlüssige Passung
und vorzugsweise eine Presspassung sicherstellen. Zweitens wird,
um den Ferrit an seiner Stelle zu befestigen, anstatt dass Klebstoff
auf die Unterseite des Ferrits aufgebracht wird, wie bei der herkömmlichen
Methode aus 3, dieser zwischen der Seitenfläche 37 des Ferrits
und den Wänden
einer Reihe von weiteren kleinen Ausnehmungen (Rillen) 38,
welche schmale lokale Erweiterungen der Hauptausnehmung 36 darstellen,
eingebracht. Somit werden die Rillen mit Klebstoff gefüllt und
dadurch wird der Ferrit an seinem Platz befestigt.
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Die
Vorteile dieser Methode sind:
- (a) Der Ferrit
kann sich aufgrund der Rückhaltwirkung
der Ausdehnung 36 seitlich nicht verschieben.
- (b) Die mittlere Höhe
des Ferrits oberhalb der Fläche 35 der
unteren Gehäusehälfte ist
vorhersagbar (wenn man etwaige Toleranzen der Höhe des Ferrits selbst, die
bestehen können,
ignoriert), da der Ferrit auf keinerlei Klebstoff sitzt. Bei der
herkömmlichen
Anordnung wird das Bett aus Klebstoff, auf welchem der Ferrit sitzt,
bestimmten Presskräften
ausgesetzt sein; die Stärke
dieser Kräfte
und die Anfangshöhe
und Konsistenz der Klebstoffschicht führen alle dazu, dass die letztendliche
Höhe der
Oberseite des Ferrits über
der unteren Gehäusehälfte unvorhersagbar
ist.
- (c) Die Größe des Luftspalts
ist über
die Ausdehnung der Oberseite 41 des Ferrits hin einheitlich (siehe 4).
Dies ist der Fall, da keine Möglichkeit
besteht, dass sich irgendwo unter dem Ferrit Klebstoff aufbaut.
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Um
zu ermöglichen,
die Qualität
der Klebstoffverbindung visuell zu überprüften (siehe 6), ist
es zweckdienlich, ausreichend Klebstoff einzubringen, sodass dieser
bis über
die Rillen 38 hinaus wandert und einen lokalen Wulst 40 bildet,
welcher zu sehen ist, wenn man in der gezeigten Richtung in einen oder
mehrere der Ports schaut.
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Die
Messung des Luftspalts kann entweder durch optische oder mechanische
Mittel erfolgen, oder alternativ kann die HF-Charakteristik des Zirkulators überwacht
werden, während
das Einstellelement betätigt
wird. Bei der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, dass die
einzigen Charakteristiken, die überwacht
werden müssten,
die Transmissions- oder Reflexionsparameter des Zirkulators sind.
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Obgleich
die in 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung eine
asymmetrische Zikulatoranordnung beinhaltet, die der aus 1(b) ähnlich
ist, ist es auch möglich,
die Erfindung in einer symmetrischen Anordnung anzuwenden, wie sie
in 1(a) gezeigt ist. In diesem
Fall (siehe 7) wird der zweite Ferrit 17 in
gleicher Weise in einer zweiten Ausnehmung (50) mit zugehörigen Rillen
(51), die in der zweiten Gehäusehälfte 11 ausgebildet
sind, unter Verwendung des gerade beschriebenen Klebstoffverfahrens
befestigt.
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Bei
einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung ist die Membran
nicht aus dem Gehäuse selbst
ausgebildet, sondern stellt eine von dem Gehäuse getrennte Komponente dar.
Bei dieser Anordnung wird die obere Gehäusehälfte vollständig weggefräst, sodass
ein Loch anstatt lediglich einer Aussparung 31 gebildet
wird, und eine dünne,
elastisch verformbare Membran wird eng in die innere Öffnung des
Lochs eingepasst. Bei dieser Realisierung ist es natürlich notwendig,
dass diese separate Membran derart befestigt wird, dass die Membran
durch die nach unten wirkende Kraft des Einstellelements 33 in keinster
Weise gelockert wird. Da dies in der Praxis möglicherweise schwer sicherzustellen
ist, wird die in 4 dargestellte integrale Anordnung
bevorzugt.
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Es
ist prinzipiell vorstellbar, dass eine Membran vorgesehen werden
könnte,
die derart vorgespannt wäre,
dass sie eine Lage näher
an dem Ferrit als die in 4 gezeigte einnimmt. In diesem
Fall würde
die Anpassung des Luftspalts in einer Auswärtsrichtung erfolgen, d. h.
in Richtung der Vergrößerung des
Luftspalts, durch Bewegen der Membran weiter weg von dem Ferrit.
Dies wiederum würde nach
sich ziehen, ein Einstellelement bereitzustellen, welches mechanisch
derart mit der Membran gekoppelt wäre, dass durch Drehen z. B.
der Schraube 33 in 4 die Membran
nach oben gedrückt
würde. Obgleich
diese Ausführung
möglich
ist, wäre
sie in der Praxis schwieriger zu realisieren als die in 4 dargestellte
Methode, sodass wiederum die dargestellte Methode zu bevorzugen
ist.