GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Zirkulator mit
konzentrierten Elementen, der als
Hochfrequenzschaltungselement beispielsweise in einem tragbaren oder
mobilen Kommunikationsgerät benutzt wird.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen
konzentrierte Elemente aufweisenden Zirkulator, der in
einer Vielzahl von Betriebsbändern betreibbar ist.
BESCHREIBUNG DES ZUGEHÖRIGEN STANDES DER TECHNIK
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Ein Zirkulator ist ein Element, das einer
Hochfrequenzschaltung eine nicht-reziproke Charakteristik zur
Unterdrückung reflektierter Wellen in der Schaltung
erteilt. Dadurch kann verhindert werden, daß stehende
Wellen erzeugt werden, so daß ein stabiler Betrieb der
Hochfrequenzschaltung erwartet werden kann. Daher sind
in bisherigen tragbaren Telefonen üblicherweise solche
nicht-reziproken Elemente vorgesehen, um die Erzeugung
stehender Wellen zu verhindern. In letzter Zeit ist der
Bedarf an tragbaren Telefonen gestiegen, die in einer
Vielzahl verschiedener Frequenzbänder betreibbar sind
(Mehrband-Telefone), um das tragbare Telefon effektiver
auszunutzen. Der herkömmliche Zirkulator kann jedoch
nur in einem Frequenzband betrieben werden. Um in
mehreren Frequenzbändern betreibbar zu sein, muß A) die
Frequenzbandbreite des Ein-Band-Zirkulators mittels
einer Impedanzanpassungsschaltung erweitert oder B) eine
Vielzahl von Ein-Band-Zirkulatoren mit einem
Bandpaßfilter für den individuellen Betrieb der Zirkulatoren
kombiniert werden.
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Die Lösung A) ist beispielsweise in dem Dokument JP-A-56024815
angegeben.
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Bei der erwähnten Lösung A) mit der erweiterten
Frequenzbandbreite des Ein-Band-Zirkulators ist jedoch
keine hinreichend große Bandbreite zu erwarten.
Vielmehr können nur etwa 30% der Mittenfrequenz erweitert
werden. Bei einem bekannten tragbaren Zwei-Band-
Telefon, das mit zwei Frequenzen betreibbar ist, die
sich um das Zweifache unterscheiden, kann daher die
Lösung A) nicht angewandt werden.
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Bei der Lösung B) mit der Vielzahl von
Ein-Band-Zirkulatoren, die in verschiedenen Frequenzbändern arbeiten
und parallelgeschaltet sind und durch Filter und
Schaltmittel gewählt werden, führt die Kombination zu
großen Abmessungen. Außerdem überlagern sich die
Impedanzkennlinien aus den Bandbreiten der Zirkulatoren, so
daß die Betriebscharakteristik instabil wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher Ziel der Erfindung, einen Zirkulator mit
konzentrieren Elementen anzugeben, der allein in der
Lage ist, die Bildung stehender Wellen in einer
Vielzahl von Frequenzbändern zu unterdrücken.
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Die Erfindung besteht in einem Zirkulator mit
konzentrierten Elementen und einer Vielzahl von
Betriebsbändern, der ein Zirkulatorelement mit einer Vielzahl von
Signalports und einen geerdeten Anschluß aufweist, und
mit Resonanzkreisen, die jeweils zwischen den
Signalports und dem geerdeten Anschluß angeschlossen sind und
jeweils eine Vielzahl von Resonanzpunkten aufweisen,
wobei die Anzahl der Betriebsbänder gleich der Anzahl
der Resonanzpunkte jedes Resonanzkreises ist. Die
Anzahl der Betriebsbänder ist gleich der Anzahl der
Resonanzpunkte in jedem der Resonanzkreise.
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Die Erfindung konzentriert sich darauf, daß bei einem
Zirkulator mit konzentrierten Elementen die Differenz
zwischen den Eigenwerten des durch positive und
negative Rotations-Eigenvektoren angeregten
Zirkulatorelements 120º (im Falle des Drei-Port-Zirkulators)
beträgt, und zwar unabhängig von der Frequenz.
Erfindungsgemäß ist daher eine Schaltung mit einem
Frequenzverhalten zur Erfüllung der Zirkulatorbedingungen in
einer Vielzahl erforderlicher Frequenzbänder mit jedem
Port so verbunden, daß der Zirkulator in der Vielzahl
von Frequenzbändern betreibbar ist. Dies wird dadurch
erreicht, daß ein Resonanzkreis mit einer Vielzahl von
Resonanzpunkten zwischen jedem der einzelnen Ports und
dem geerdeten Anschluß des Zirkulatorelements
angeschlossen wird.
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Infolgedessen kann erfindungsgemäß ein Zirkulator mit
konzentrierten Elementen die Erzeugung irgendeiner
stehenden Welle in einer Vielzahl von Frequenzbändern
verhindern. Bei einer Hochfrequenzschaltung in einem
Telefon, das in einer Vielzahl von Frequenzbändern
betreibbar ist, zum Beispiel einem Zwei-Bahn-Telefon, kann der
erfindungsgemäße Zirkulator allein benutzt werden, um
die Entstehung einer stehenden Welle in einer Vielzahl
von Frequenzbändern zu verhindern.
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Vorzugsweise ist jeder der Resonanzkreise ein Reihen-
Parallel-Resonanzkreis mit wenigstens einem Paar aus
einem Reihen-Resonanzpunkt und einem Parallel-
Resonanzpunkt.
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Vorzugsweise ist ferner die Anzahl der Betriebsbänder
gleich der Anzahl des Paares aus dem
Reihen-Resonanzpunkt und dem Parallel-Resonanzpunkt plus eins.
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Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in den
beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 stellt eine perspektivische schematische
Ansicht des Aufbaus eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zwei-
Band-Zirkulators mit konzentrierten Elementen
dar.
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Fig. 2 stellt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1
dargestellten Ausführungsbeispiels des
Zirkulators mit konzentrierten Elementen dar.
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Fig. 3 stellt ein Ersatzschaltbild eines
herkömmlichen Zirkulators mit konzentrierten Elementen
dar.
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Fig. 4a und 4b stellen in Form eines Querschnitts und einer
Draufsicht den Aufbau eines induktiven Teils
des herkömmlichen Zirkulators mit
konzentrierten Elementen dar.
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Fig. 5 ist eine perspektivische
Explosionsdarstellung des Aufbaus eines herkömmlichen
Zirkulatorelements mit konzentrierten Elementen.
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Fig. 6 stellt eine perspektivische Ansicht des
Aufbaus dar, bei dem Resonanzkondensatoren mit
dem in Fig. 5 dargestellten Zirkulatorelement
verbunden sind.
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Fig. 7 stellt die magnetische Feldstärke dar, wenn
durch jeden Signalport ein Strom fließt.
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Fig. 8 stellt ein Smith-Diagramm der Änderungen der
Eigenwerte bei einem Anschluß der
Resonanzkondensatoren zur Erfüllung der
Zirkulatorbedingungen dar.
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Fig. 9 stellt ein Smith-Diagramm dar, um zu
veranschaulichen, daß y&sub3;-y&sub2; unabhängig von der
Frequenz ist.
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Fig. 10 stellt ein Schaltbild eines Resonanzkreises
dar, der an jedem Port des in Fig. 1
dargestellten Ausführungsbeispiels des Zirkulators
mit konzentrieren Elementen angeschlossen
ist.
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Fig. 11 stellt die Frequenz-Admittanz-Kennlinie des
in Fig. 10 dargestellten Resonanzkreises dar.
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Fig. 12 stellt die Übertragungskennlinie eines Zwei-
Band-Zirkulators mit konzentrierten Elementen
dar, der aktuell ausgelegt und hergestellt
wurde, und
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Fig. 13 stellt ein Schaltbild jedes Resonanzkreises
dar, der an einem zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel eines Zirkulators mit
konzentrierten Elementen angeschlossen ist.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Fig. 1 stellt schematisch den Aufbau eines drei Ports
aufweisenden Zwei-Band-Zirkulators mit konzentrierten
Elementen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar.
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In der Figur bezeichnen 10 und 11 integrierte Scheiben
aus ferromagnetischem Material, zum Beispiel aus
Ferrit, zwischen denen drei Paare aus zwei parallelen
Antriebsleitungen 12&sub1;, 12&sub2; und 12&sub3; gegenseitig isoliert
angeordnet sind, 13 und 14 Abschirmelektroden, die auf
den Außenflächen der jeweiligen ferromagnetischen
Scheiben 10 und 11 ausgebildet sind, 15 eine geerdete
Elektrode, 16&sub1;, 17&sub1; , 16&sub2; und 17&sub2; Resonanzkondensatoren
und 17&sub1; und 18&sub2; Resonanzspulen. Die
Antriebsleitungspaare 12&sub1;, 12&sub2; und 12&sub3; bilden drei Induktoren, die sich
in drei um 120º auseinanderliegenden Richtungen
erstrecken und eine dreieckige symmetrische Form bilden.
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Der Resonanzkondensator 17&sub1; und die Resonanzspule 18&sub1;
bilden einen Reihen-Resonanzkreis. Dieser Reihen-
Resonanzkreis und der Resonanzkondensator 16&sub1; sind
par
allel zwischen dem Signalport des Antriebsleiterpaars
12&sub1; und der geerdeten Elektrode 15 angeschlossen. In
ähnlicher Weise bilden der Resonanzkondensator 17&sub2; und
die Resonanzspule 18&sub2; einen Reihen-Resonanzkreis.
Dieser Reihen-Resonanzkreis und der Resonanzkondensator
16&sub2; sind parallel zwischen dem Signalport des
Antriebsleiterpaars 12&sub2; und der geerdeten Elektrode 15
angeschlossen. Obwohl es in Fig. 1 nicht sichtbar ist, sind
ein Reihen-Resonanzkreis, der durch den
Resonanzkondensator 17&sub3; und die Resonanzspule 18&sub3; gebildet ist, und
der Resonanzkondensator 16&sub3; (Fig. 2) parallel zwischen
dem Signalport des Antriebsleiterpaars 12&sub3; und der
geerdeten Elektrode 15 angeschlossen. Auf dem Element 10
und unter dem Element 11 sind jeweils (nicht
dargestellte) Anregungsdauermagneten angeordnet.
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In Fig. 2 ist eine Ersatzschaltung des in Fig. 1 als
Ausführungsbeispiel dargestellten Zirkulators mit
konzentrierten Elementen veranschaulicht. Wie sich aus
dieser Figur ergibt, ist der Zirkulator mit
konzentrierten Elementen einer Schaltung äquivalent, bei der
zwischen Signalports 21&sub1;, 21&sub2; und 21&sub3; eines idealen
Zirkulators 20 und der geerdeten Elektrode 15 jeweils ein
Reihen-Parallel-Resonanzkreis aus dem
Resonanzkondensator 16&sub1; mit der Kapazität C&sub0;, dem Resonanzkondensator
17&sub1; mit der Kapazität C&sub1;, der Resonanzspule 18&sub1; mit der
Induktivität L&sub1; und einem Induktor L, ein Reihen-
Parallel-Resonanzkreis aus dem Resonanzkondensator 16&sub2;
mit der Kapazität C&sub0;, dem Resonanzkondensator 17&sub2; mit
der Kapazität C&sub1;, der Resonanzspule 18&sub2; mit der
Induktivität L&sub1; und einem Induktor L, sowie ein Reihen-
Parallel-Resonanzkreis aus dem Resonanzkondensator 16&sub3;
mit der Kapazität C&sub0;, dem Resonanzkondensator 17&sub3; mit
der Kapazität C&sub1;, der Resonanzspule 18&sub3; mit der
Induk
tivität L&sub1; und einem Induktor L angeschlossen. Der
ideale Zirkulator 20 ist ein virtuelles
Schaltungselement, das über den gesamten Frequenzbereich von null
bis unendlich betreibbar ist. Die aus diesem idealen
Zirkulator 20 und den Induktoren L gebildete Schaltung
entspricht der nicht-reziproken Induktivität der
vermaschten Antriebsleiter 12&sub1;, 12&sub2; und 12&sub3;, die in dem
Zirkulatorelement ausgebildet sind.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel des Zirkulators mit
konzentrierten Elementen ist anstelle eines Kondensators
der Resonanzkreis, der die erforderliche effektive
Kapazität bei den gewünschten Frequenzen bildet, zwischen
jedem der Signalports 21&sub1;, 21&sub2; und 21&sub3; einerseits und
der geerdeten Elektrode 15 andererseits angeschlossen.
Dieser Zirkulator ist daher in einer Vielzahl von
Frequenzbändern betreibbar, wie nachstehend ausführlicher
beschrieben wird.
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In Fig. 3 ist eine Ersatzschaltung eines herkömmlichen
Zirkulators mit konzentrierten Elementen dargestellt.
Wie diese Figur zeigt, ist der herkömmliche Zirkulator
mit konzentrieren Elementen einer Schaltung äquivalent,
bei der jeweils Parallel-Resonanzkreise 32&sub1;, 32&sub2; und 32&sub3;
mit der Mittenfrequenz f&sub0; mit den Signalports 31&sub1;, 31&sub2;
und 31&sub3; eines idealen Zirkulators 30 verbunden sind.
Der ideale Zirkulator 30 ist ein virtuelles
Schaltungselement mit einem Betriebsfrequenzbereich von null bis
unendlich. Die aus diesem idealen Zirkulator 30 und dem
Induktoren L in den Parallel-Resonanzkreisen 32&sub1;, 32&sub2;
und 32&sub3; ausgebildete Schaltung entspricht einer
nichtreziproken Induktivität aus vermaschten
Antriebsleitern, die in dem herkömmlichen Zirkulator mit
konzentrierten Elementen ausgebildet sind.
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Die Fig. 4a und 4b stellen den Aufbau eines induktiven
Teils des herkömmlichen Zirkulators mit konzentrierten
Elementen dar, Fig. 5 stellt den Aufbau eines
Zirkulatorelementteils dieses herkömmlichen Zirkulators mit
konzentrieren Elementen dar und Fig. 6 stellt einen
zusammengebauten Aufbau dar, bei dem
Resonanzkondensatoren mit dem in Fig. 5 dargestellten Zirkulatorelement
verbunden sind.
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Wie sich aus diesen Figuren ergibt, ist der Aufbau des
Zirkulatorelementteils des herkömmlichen Zirkulators
mit konzentrierten Elementen der gleiche wie der des in
Fig. 1 dargestellten Zirkulators mit konzentrierten
Elementen.
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So sind zwischen integrierten Scheiben 40 und 41 aus
ferromagnetischem Material drei Paare aus zwei
parallelen Antriebsleitern 42&sub1;, 42&sub2; und 42&sub3; gegenseitig
isoliert angeordnet. Auf den Außenseiten der jeweiligen
Scheiben 40 und 41 aus ferromagnetischem Material sind
Abschirmelektroden 43 und 44 ausgebildet. Die
Antriebsleiterpaare 42&sub1;, 42&sub2; und 42&sub3; bilden drei Induktoren, die
sich in drei um 120º auseinanderliegenden Richtungen
erstrecken und eine dreieckige symmetrische Form
bilden. Zwischen den Signalports 31&sub1;, 31&sub2; und 31&sub3; der
Antriebsleiterpaare 42&sub1;, 42&sub2; und 42&sub3; sind jeweils
Resonanzkondensatoren 46&sub1;, 46&sub2; und 46&sub3; angeschlossen. Auf
dem Element 40 und unter dem Element 41 sind jeweils
Anregungsdauermagneten 47 und 48 vorgesehen.
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In Fig. 4a sind ein Abschnitt des mit dem einen
Signalport (beispielsweise dem Signalport 31&sub1;) verbundenen
Induktors (Antriebsleiter 42&sub1;) und erregte Magnetfelder
dargestellt. Es sei angenommen, daß die Induktivität
des Induktors (des Antriebsleiterpaars 42&sub1;) L&sub0; ist und
das Magnetfeld 49, das durch den durch die übrigen
beiden Induktoren (Antriebsleiterpaare 42&sub2; und 42&sub3;)
fließenden Strom erregt wird, den mit dem Signalport 31&sub1;
verbundenen Induktor 42&sub1; kreuzt. Die von diesem
Signalport 31&sub1; aus gesehene Induktivität muß daher unter
Berücksichtigung des Einflusses des Magnetfelds 49
berechnet werden.
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Bei einer Schaltung mit n Ports können die
Reflexionskoeffizienten der jeweiligen Signalports dadurch
gegenseitig ausgeglichen werden, daß den jeweiligen
Signalports spezielle kombinierte vorlaufende Wellen
zugeführt werden. Vektoren, die die vorlaufenden Wellen
darstellen und diese Bedingung erfüllen, werden
Eigenvektoren genannt, und die Reflexionskoeffizienten
werden Eigenwerte genannt. Bei der Schaltung mit n Ports
gibt es n Eigenvektoren und n Eigenwerte, die den
jeweiligen Vektoren entsprechen. Bei dem Zirkulator mit
drei Ports gibt es daher drei Eigenvektoren U&sub1;, U&sub2; und
U&sub3; und drei Eigenwerte S&sub1;, S&sub2; und S&sub3;, die den jeweiligen
Vektoren entsprechen. Diese Eigenvektoren sollten die
nachstehenden Werte haben.
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Die Admittanzen (Scheinleitwerte) y&sub1;, y&sub2; und y&sub3; in bezug
auf diese Reflexionskoeffizienten lassen sich durch die
nachstehende Gleichung (2) beschreiben:
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[i = 1, 2, 3] (2)
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wobei Yc die termische Admittanz jedes Ports ist.
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Wenn das Magnetfeld H&sub1;, das durch den in den Signalport
311 des herkömmlichen Zirkulators mit konzentrierten
Elementen nach den Fig. 3 bis 6 erregt wird, so
gerichtet ist, wie es durch die gestrichelten Pfeile 49 in
Fig. 4b dargestellt ist, haben die Magnetfelder H&sub2; und
H&sub3;, die jeweils durch die in die Ports 31&sub2; und 31&sub3;
fließenden Ströme j&sub2; und j&sub3; erregt werden, bei Verwendung
von H&sub1; als Bezugsgröße, die in Fig. 7 dargestellte
Größe und Richtung. Für die mit der Richtung des
Magnetfelds H&sub1; zusammenfallenden Komponenten der Magnetfelder
H&sub2; und H&sub3; gelten daher die Gleichungen:
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Addiert man dann das Magnetfeld H&sub1;, dann läßt sich für
das Magnetfeld H die nachstehende Gleichung (4)
schreiben:
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H =
H&sub1; - ¹/&sub2;(H&sub2; + H&sub3;) (4)
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Die Erregungsmagnetfelder H¹, H² und H³ für die
jeweiligen Eigenvektoren u&sub1;, u&sub2; und u&sub3; ergeben sich dann aus
folgenden Gleichungen (5):
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Für die Induktivitäten der Leiter, von den jeweiligen
Signalports L&sub1;, L&sub2; und L&sub3; gesehen, für die Eigenvektoren
u&sub1;, u&sub2; und u&sub3; gilt daher:
-
L&sub1; = 0, L&sub2; = L&sub3; = 3/2L&sub0; (6)
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wobei L&sub0; die Induktivität zweier am Ende
kurzgeschlossener Leiter ist, die mit dem einen Signalport
verbunden sind, wenn die anderen Leiter an ihrem Ende offen
sind, statt kurzgeschlossen zu sein.
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Die Belastungsadmittanzen der aus ferromagnetischem
Material oder Ferrit bestehenden Scheiben, mit anderen
Worten, die Admittanzen der Teile der Induktoren yL1,
yL2 und yL3 für die Eigenvektoren u&sub1;, u&sub2; und u&sub3; gilt
daher die folgende Gleichung (7):
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wobei u&sbplus; und u&submin; die positiv und negativ polarisierten
relativen Permeabilitäten sind. Es sei darauf
hingewiesen, daß die magnetischen Felder zur Anregung der
Eigenvektoren u&sub2; und u&sub3; zu den positiven und negativen
Rotationsmagnetfeldern in bezug auf das außen angelegte
Gleichmagnetfeld werden. Die Werte u&sbplus; und u&submin; ergeben
sich durch die nachstehenden aus der Polder-Gleichung
abgeleiteten Gleichungen (8):
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wobei 4πMs die Sättigungsmagnetisierung des Ferrits, Hi
das interne Gleichmagnetfeld im Ferrit und γ die
gyromagnetische Konstante ist. Aus den Gleichungen (8)
ergibt sich folgende Gleichung (9):
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Wenn mit einem stärkeren als dem
Ferromagnetresonanzfeld gearbeitet wird (bei dem erwähnten
Resonanzbetrieb), zum Beispiel in dem Zirkulator mit
konzentrierten Elementen, dann gilt die Beziehung: (σ
+ P)² > > 1. In
diesem Falle kann für die Gleichung (9) folgende
Näherung gesetzt werden:
-
Mithin läßt sich der Wert von (1/jω u&sbplus;) - (1/jω u&submin;) nach
folgender Gleichung (11) berechnen:
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wobei der Wert von j(yL2 - yL3) von der Frequenz
unabhängig ist. Dieses Ergebnis bedeutet, daß die Differenz
zwischen den Eigenwerten s&sub2; und s&sub3; bei dem durch die
Eigenvektoren u&sub2; und u&sub3; erregten Zirkulator unabhängig
von der Frequenz ist. Bei dem Zirkulator mit
konzentrierten Elementen ist die Induktivität L&sub1; nach
Gleichung (6) gleich 0. Der Eigenwert s&sub1; liegt daher bei
dem rechten Endpunkt (1, 0) auf dem Smith-Diagramm und
ist unabhängig von der Frequenz. Wenn daher das
angelegte Magnetfeld so eingestellt wird, daß die
Eigenwerte s&sub2; und s&sub3; um 120º auf dem Smith-Diagramm
auseinanderliegen, und wenn die Position der Eigenwerte s&sub2; und
s&sub3; durch das Anschließen von Kondensatoren an den
jeweiligen Signalport so verschoben wird, daß der Winkel
jedes Eigenwertes s&sub2; und s&sub3; relativ zu dem Eigenwert s&sub1;
120º beträgt, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, läßt
sich ein vollständiger Zirkulator bei dieser Frequenz
erreichen.
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Um einen Zirkulator zu realisieren, müssen für den
Zirkulator mit konzentrierten Elementen die Eigenwerte s&sub2;
und s&sub3; der folgenden Gleichung (12) genügen, die aus
den Bedingungen der Eigenwerte s&sub1; gemäß Gleichung (7)
unter Berücksichtigung der Gleichung (1) abgeleitet
ist:
-
Für die Eigenadmittanzen, die diese Bedingung erfüllen,
gilt folgende Gleichung (13):
-
Mithin gilt
-
Durch Einsetzen dieser Gleichung (14) in die Gleichung
(11) erhält man die Gleichung (15):
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Nach Gleichung (13) muß der Zirkulator die Bedingung
y&sub2; + y&sub3; = 0 erfüllen. Dies ist gleichbedeutend damit, daß -
wie Fig. 9 zeigt - die Admittanzen auf dem Smith-
Diagramm wie folgt ersetzt werden: yL2 → y&sub2; und
yL3 → y&sub3;, und zwar unter Einhaltung der Gleichung (14),
um die Zirkulator-Bedingungen durch Hinzufügung von
Resonanzkondensatoren zu den Signalports zu erfüllen. Es
sollte daher die Bedingung (y&sub2; + y&sub3;)/2 = ωC eingehalten
werden. Diese Bedingung kann durch Verwendung der
Gleichung (8) und der erwähnten Resonanzbetriebsbedingungen
für σ², σP > > 1 ermittelt werden.
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Die Kapazität C kann daher mittels folgender Gleichung
(7) ermittelt werden.
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Wenn ein Resonanzkondensator, dessen Kapazität C
umgekehrt proportional zu ω² ist, an jedem Port
angeschlossen wird, ist es möglich, einen Zirkulator zu erhalten.
Mit anderen Worten, wenn eine Schaltung mit der
erforderlichen effektiven Kapazität bei den erforderlichen
Frequenzen mit jedem Port des Zirkulatorelements
verbunden wird, läßt sich ein Zirkulator mit einer
Vielzahl von Betriebsfrequenzbändern realisieren.
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Es sei angenommen, daß ein Zirkulator durch Anschließen
einer Schaltung mit der Kapazität C bei der Frequenz f&sub1;
an jeden Port realisiert wird. Dann läßt sich ein
Zirkulator, der mit den beiden Frequenzen f&sub1; und f&sub2;
arbeitet, durch Anschließen einer Schaltung mit einer
Kapazität C bei der Frequenz f&sub1; und einer Kapazität (f&sub1;/f&sub2;)²C
bei der Frequenz f&sub2; an jeden Port ausbilden.
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Ein Reihen-Parallel-Resonanzkreis, wie er in Fig. 10
dargestellt ist, ist unterhalb der Resonanzfrequenz
ka
pazitiv. Wenn daher die Betriebsfrequenzen dieses
Kreises auf Werte eingestellt werden, die unterhalb und
oberhalb seiner Serien-Parallel-Resonanzfrequenz
liegen, dann erfüllt dieser Kreis die erwähnte Bedingung.
Für die Admittanz y dieses Reihen-Parallel-
Resonanzkreises gilt:
-
die als Frequenz-Admittanz-Kennlinie in Fig. 11
dargestellt ist. Diese Gleichung (18) kann wie folgt
umgeschrieben werden:
-
wobei ωs und ωp jeweils die Winkelfrequenzen bei der
Reihen-Resonanz und der Parallel-Resonanz sind und
-
Für f&sub2; = 2f&sub1; ist die erforderliche Kapazität C/4, so daß
für die Admittanzen bei den Frequenzen f&sub1; und f&sub2; jeweils
ω&sub1;C und ω&sub2;C = ω&sub1;C/2 gilt. Durch Einsetzen dieser
Bedingungen in die Gleichung (19) ergeben sich die folgenden
Gleichungen:
-
Da die Anzahl der Unbekannten Größer als die Anzahl der
Gleichungen in der Gleichung (20) ist, können einige
Konstanten in der Gleichung willkürlich bestimmt
werden. Setzt man
-
dann erhält man bei f&sub2; = 2f&sub1; für y folgende Gleichung (21):
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Die Werte von x und y sind auf die Bereiche 1 < x < 2 und
1 ≤ y < 2 beschränkt, und zwar wegen der vorbestimmten
Beziehung zwischen den Betriebsfrequenzen und weil, wie
sich aus Fig. 11 ergibt, die Lösung instabil wird, wenn
sich x der 1 oder y der 2 annähert. Durch Festlegung
von y, nach dem x auf einen geeigneten Wert festgelegt
wird, lassen sich C&sub0;, C&sub1; und L&sub1; aus Gleichung (20) wie
folgt ermitteln:
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Ein Zwei-Band-Zirkulator mit konzentrierten Elementen
gemäß diesem Beispiel ist praktisch ausgelegt und
hergestellt worden. Zur Auslegung des Zirkulators wurden
4πM&sub3; = 400 Gauss, f&sub1; = 300 MHz, σ = 3,5 und Zc = 50Ω gewählt.
Mit diesen Werten ergeben sich folgende Werte für P, ωξ
und ξ:
-
Für die Resonanzkapazität C erhält man dann nach
Gleichung (17) folgendes:
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Ein Zirkulatorelement, das diesen Bedingungen genügt,
wurde hergestellt, wobei sich ein Zwei-Band-Zirkulator
mit konzentrierten Elementen ergab, der bei den
Oktavfrequenzen von 300 MHz und 600 MHz betreibbar ist. Die
Kreiskonstanten des Resonanzkapazitätskreises, der an
jedem Port des Zirkulators anstelle des herkömmlichen
Kondensators angeschlossen wurde, ergeben sich aus
Gleichung (22) wie folgt:
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Der auf diese Weisen hergestellte Zwei-Band-Zirkulator
hat eine Übertragungskennlinie, wie sie in Fig. 12
dargestellt ist. Wie die Figur zeigt, stimmt diese
gemessene Übertragungskennlinie sehr gut mit der
Auslegungskennlinie überein.
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Das vorstehend erwähnte Ausführungsbeispiel betrifft
einen Zwei-Band-Zirkulator mit zwei Betriebsbändern. Es
ist jedoch bekannt, daß bei einem Resonanzkreis mit
zwei Anschlüssen und mehreren Resonanzpunkten die
Anzahl der kapazitiven Bereiche gleich der Anzahl seiner
Resonanzpunktpaare plus 1 ausgebildet werden kann. Es
ist daher offensichtlich, daß ein Zirkulator mit drei
oder mehr Betriebsbändern bei gewünschten Frequenzen
durch Abwandlung des erwähnten Ausführungsbeispiels
ausgebildet werden kann.
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Fig. 13 stellt einen Resonanzkreis dar, der mit jedem
Port eines Zirkulators mit konzentrieren Elementen
gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung
verbunden werden kann.
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Wie diese Figur zeigt, hat dieser Reihen-Parallel-
Resonanzkreis einen Reihen-Resonanzkreis aus einer
Resonanzspule 131 mit einer Induktivität L&sub1; und einen in
Reihe geschalteten Resonanzkondensator 132 mit einer
Kapazität C&sub1;, einen Resonanzkondensator 133 mit einer
Kapazität C&sub0; parallel zu dem Reihen-Resonanzkreis, eine
Resonanzspule 134 mit einer Induktivität L&sub2; in Reihe
mit dem Reihen-Resonanzkreis und einen
Resonanzkondensator 135 mit einer Kapazität C&sub2; parallel zu der
Resonanzspule 134 und dem Reihen-Resonanzkreis. Dieser
Reihen-Parallel-Resonanzkreis mit zwei Anschlüssen ist
zwischen jedem Signalport und der geerdeten Elektrode
des Zirkulators wie bei dem zuvor erwähnten
Ausführungsbeispiel angeschlossen.
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Dieser Reihen-Parallel-Resonanzkreis hat zwei Paare aus
einem Reihen-Resonanzpunkt und einem
Parallel-Resonanzpunkt und wird daher als Zirkulator benutzt, der drei
Betriebsbänder erfordert.