DE972329C

DE972329C - Einrichtung zur Beeinflussung von linear bzw. eben polarisierten Wellen im Mikrowellenbereich

Info

Publication number: DE972329C
Application number: DEW9038A
Authority: DE
Inventors: Clarence Lester Hogan
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1951-05-26
Filing date: 1952-07-16
Publication date: 1959-07-02
Also published as: NL92837C; US2748353A; BE511649A; NL169864B; CH309358A; FR1062018A; US2887664A; GB733486A

Description

AUSGEGEBEN AJM 2. JULI 1959

W 9038 VIIIa j 2i a*

ist als Erfinder genannt worden

im Mikrowellenbereich.

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen", mit deren Hilfe die Beeinflussung von linear bzw. eben polarisierten Wellen im Mikrowellenbereich unter Ausnutzung des Faraday-Effektes ermöglicht werden soll, um eine Drehung der Polarisationsebene oder eine Umformung von linear bzw. eben polarisierten Wellen in zirkulär polarisierte Wellen oder umgekehrt zu ermöglichen.

Die Erfindung bedient sich sich hierzu eines Wellenleiters mit einem darin liegenden Block aus festem ferromagnetischem Material, an welchen ein longitudinal polarisierendes magnetisches Feld angelegt ist und welcher in der Bewegungsbahn der zu beeinflussenden Wellen liegt. Eine solche Anordnung ist in Verbindung mit einer elektromagnet!- sehen Vorrichtung, z. B. einer Selbstinduktionsspule, bekannt, bei der ein magnetisches Wechselfeld in einem ferromagnetischen Medium wirksam ist und außerdem ein permanentes oder semipermanentes polarisierendes Magnetfeld zur Wirkung kommt, und zwar in einer zu einer Komponente des magnetischen Wechselfeldes senkrechten Richtung und von solcher Stärke, daß sich die entsprechende Präzessionsfrequenz der die magnetischen Eigenschaften hervorrufenden Elektronen um dieses polarisierende Feld nahezu mit der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes deckt. Bei dieser bekannten Anordnung wird ein koaxialer Wellenleiter be-

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nutzt, und die Erregung erfolgt in der radialen magnetischen Wellenform.

Die Erfindung besteht demgegenüber darin, daß der Wellenleiter ein zylindrischer Hohlleiter ist und daß die Abmessungen des Blocks in Fortpfianzungsrichtung, die Magnetisierung des Blockes, die längs der Wellenbewegung verlauf ende Komponente des magnetisierenden Feldes und das Material des Blocks so gewählt werden, daß wenigstens eine der ίο beiden zirkulär polarisierenden Wellen, in die sich die ebene Welle nach Eintritt in das ferromagnetische Material zerlegt, nur wenig gedämpft wird, während die aus dem Block austretende wiedervereinigte Welle den gewünschten Polarisationszustand besitzt.

Erfindungsgemäße Einrichtungen können in Schalteinrichtungen, Dämpfungsgliedern, Modulatoren, Einrichtungen zur Zirkularpolarisierung usw. verwendet werden. Die Blöcke können außerdem in ao Einwegübertragungssystemen, richtungsselektiven Phasenschiebern, einschließlich der sogenannten »Gyratoren«, Verwendung finden, d. h. in Einrichtungen, für welche ein nicht reziprokes Gesetz gilt. Hierbei soll die Bezeichnung »reziprok« die Bezie- »5 hung zum Ausdruck bringen, welche zu beobachten ist, wenn man die Drehung einer in einer Richtung, d. h. in der Vorwärtsrichtung, durch das Gerät fortschreitenden Welle mit der Drehung einer Welle »vergleicht, welche in der Gegenrichtung, d. h. in der Rückwärtsrichtung, fortschreitet.

DeE Faraday-Effekt ist für den optischen Bereich bereits seit langem bekannt. Frühere Versuche, die Ausnutzung dieses Effektes auf Wellenlängen, auszudehnen, die länger als die des sichtbaren Spektrums sind, insbesondere auf den Mikrowellenbereich, haben keine praktische Bedeutung erlangt. Dies ist vermutlich auf die beobachtete zu starke Dämpfung der Wellen durch die bei den Versuchen verwendeten Stoffe zurückzuführen. Veröffentlichte Untersuchungen über die Theorie der ferromagnetischen Resonanz haben eine theoretische Grundlage geschaffen, welche es ermöglichte, das Vorhandensein eines ausgesprochenen Faraday-Effektes in Stoffen vorauszusagen, welche diese Art von Resonanz aufweisen, z. B. in ferromagnetischen Metalloxyden. Es wurde gefunden, daß magnetische Stoffe, wie die ferromagnetischen Metalloxyde, und besonders Nickel-Zink-Ferrit, bei einer Dicke von größenordnungsmäßig einer 5c Wellenlänge in der Lage sind, eine Winkeldrehung der Polarisationsebene von eben polarisierten Wellen von 45°, 90⁰ oder mehr bei Vorhandensein von Magnetisierungsfeldern hervorzubringen, die sich praktisch leicht verwirklichen lassen, und daß diese ,Stoffe in der angegebenen Dicke in der Lage sind, elektromagnetische Wellen mit im wesentlichen vernachlässigbarer Dämpfung zui übertragen. Es wurde weiterhin gefunden, daß der Winkel der Drehung von polarisierten elektromagnetischen Wellen in magnetischen Stoffen mit ferromagnetischer Resonanz annähernd direkt proportional der Dicke des von den Wellen durchquerten Materials und der Stärke der Magnetisierung desselben ist.

Dadurch ist es möglich gemacht, die Größe der Drehung durch Veränderung oder geeignete Wahl der Dicke des durchquerten Materials und der Magnetisierungsstärke zu bestimmen.

Es wurde außerdem festgestellt, daß eine zirkulär polarisierte Welle dadurch hergestellt werden kann, daß man eine linear polarisierte Welle durch eine passende Materialdicke hindurchführt, wobei an das Material ein magnetisierendes Feld ausreichender Stärke angelegt wird, um die magnetische Resonanzfrequenz des Materials in. angenäherte Übereinstimmung mit der Frequenz der dem Material aufgedrückten Welle zu bringen.

Fig. ι zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stückes aus magnetischem Material, das allein oder mit anderen Teilen zusammen als eine Verkörpeming der Erfindung verwendbar ist;

Fig. 2 zeigt eine zum Teil perspektivische, zum Teil schematische Ansicht eines Systems, bei dem ein Materialstück, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, in. einem Wellenleitersystem für Mikrowellen verwendet wird;

Fig. 3, 4 und 5 zeigen zum Teil perspektivische, zum Teil schematische Ansichten von anderen Verkörperungen der Erfindung, wobei Fig. 3 ein Schwundausgleichssystem, Fig. 4 ein System zur Erzeugung von zirkulär polarisierten Wellen und Fig. 5 eine nicht reziproke Vierkanalschaltanoidnung darstellt;

Fig. 6 und 7 sind Diagramme, die zur Erklärung der Wirkungsweise der Einrichtung der Fig. 5 verwendet werden;

Fig. 8 zeigt eine zium Teil perspektivische, zum Teil schematische Ansicht einer Verkörperung der Erfindung bei einem Einwegübertragungssystem;

Fig. 9 zeigt eine zum Teil perspektivische, zum Teil schematische Ansicht einer Kombination von Wellenleiterverbindungen mit einer Einrichtung zur Phasendrehung um 90⁰, die eine nicht reziproke Vierkanalschaltanordnung bildet, deren Eigenschaften ähnlich wie die des in Fig. 5 dargestellten Systems sind;

Fig. 10 ist ein Diagramm, das ziur Erklärung der Arbeitsweise des Systems der Fig. 9 verwendet wird. Fig 11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines die Erfindung verkörpernden Wellenleitersystems, das in eine zylindrische Bohrung in einem Permanentmagnet oder in einer anderen magnetischen Anordnung eingebaut ist;

Fig. 12 ist ein Schaltbild,, das den Zusammenhang zwischen der Stärke des angelegten magnetischen Feldes und der Faraday-Drehung bei einem bestimmten die Erfindung verkörpernden Element zeigt.

In Fig. ι ist ein Block 1 aus magnetischem Material dargestellt, z. B. aus einem Stück ferromagnetischem Metalloxyd, der elektromagnetische Wellen übertragen kann und der eine Dicke von größenordnungsmäßig einer Wellenlänge, z. B. von ι cm bzw. entsprechend mehr oder weniger, besitzt. Man hat gefunden, daß dieser Block als richtungsselektive Phasenidreheinrichtung für polarisierte elektromagnetische Wellen zufriedenstellend arbei-

tet. Ein Element dieser Art, welches mit Erfolg verwendet worden ist, wurde hergestellte indem zunächst gesintertes Nickel-Zink-Ferrit pulverisiert wurde, bis die größte Abmessung der größten Teilchen nicht größer als etwa 0,3 mm betrug. Dann wurde dieses Pulver mit kleinen Kugeln aus Polystyrol gemischt, deren Durchmesser ebenfalls nicht größer als 0,3 mm war, und zwar im Verhältnis 75 Volumprozent Ferrit zu 25 Volumprozent Polystyrol. Dann wurde die Mischung mit einer in Benzol verdünnten Lösung aus Polystyrol etwas angefeuchtet, um sie klebrig zu ,machen, und schließlich wurde das Material in einer Presse mit einem Druck von etwa 5 kg/cm² in zylindrische

Form gebracht. Durch Messen der Dichte vor und nach der Pulverisierung wurde abgeschätzt, daß der fertige kompakte Zylinder annähernd 60 Volumprozent Nickel-Zink-Ferrit enthielt. Vor der Pulverisierung wurde die Sättiguagsmagnetisierung

»ο des Nickel-Zink-Ferrits zu etwa 2250 Gauß und der spezifische Widerstand zu etwa 10 Millionen Ohmzentimeter bestimmt. Daher war zu erwarten, daß der fertige Zylinder eine Sättigungsmagnetisierung von etwa 1350 Gauß haben würde. Die

s5 örtliche Leitfähigkeit, die bei diesen Frequenzen wichtig ist, bleibt wahrscheinlich durch die PuI-verisierung unverändert, doch sollten die Verluste pro Zentimeter Dicke im pulverisierten Zylinder nur sechs Zehntel derjenigen im ursprünglichen gesinterten Nickel-Zink-Ferrit betragen, weil die Verluste in Polystyrol vernachlässigbar sind. Da die mathematische Untersuchung zeigt, daß die Drehung pro Zentim· r annähernd proportional der Sättigungsmagnetisiarung ist, wird durch die Pulverisierung kein offensichtlicher Vorteil in der Größe der Drehung erreicht. Jedoch sind die spitz zulaufenden Übergangsglieder (2 und 3 in Fig. 2), die zur Unterdrückung von Reflexionen an den Flächen des Ferrit-Zylinders verwendet wurden, aus Polystyrol hergestellt, und es war vorteilhaft, die Dielektrizitätskonstante der zusammengesetzten Ferritzylinder so weit wie möglich an diejenige der Übergangsglieder anzupassen. Diese Anpassung wird durch das oben beschriebene Verfahren der Piulverisierung tuid Verdünnung beträchtlich verbessert.

Um die Faraday-Drehung zu erhalten, müssen die Wellen über ein durchlässiges isotropes Medium übertragen werden, und zwar parallel zur Richtung der Kraftlinien des magnetischen Feldes. Der Effekt läßt sich am bequemsten dadurch erzielen, daß das Medium entlang der Achse einer Zylinderspule angeordnet wird. Die Drehung wird als positiv bezeichnet, wenn sie in Richtung des positiven elektrischen Stroms stattfindet, der das magnetische Feld erzeugt, und in entgegengesetzter Richtung als negativ. Man nimmt an, daß alle durchlässigen Stoffe die Faraday-Drehung zeigen. Zeitweilig hat man gedacht, daß diamagnetische Stoffe eine positive Drehung und ferromagnetische eine negative aufweisen, doch weiß man jetzt, daß dies nicht richtig ist. Eine Theorie des ferromagnetischen Faraday-Effektes kann, wenn sie dort auch nicht ausführlich dargelegt ist, aus einem Aufsatz von D. Polder im »Philosophocal Magazine«, Bd. 40 (1949), S. 99 bis 115, abgeleitet werden, und zwar in Verbindung mit einer Untersuchung der gyromagnetischen Resonanz in ferromagnetischen Stoffen, die die Präzession der Elektronen mit Spin um die Richtung des aufgedrückten magnetisehen Feldes mit umfaßt.

In dem erwähnten Aufsatz hat Polder die Fortpflanzung einer ebenen Welle analysiert, welche in eine Masse aius ferramagnetischem Material eintritt, das in Richtung der Wellenfortpflanzung nicht begrenzt ist. Nach ihrem Eintritt erfolgt die Fortpflanzung¹ der Welle ausschließlich in dem Material. Polder zeigt, daß die Welle nach ihrem Eintritt in das ferromagnetische Medium in zwei zirkulär polarisierte, aber in entgegengesetzten Richtungen sich fortpflanzende Wellen zerlegt wird, und daß die Fortpflanzung dieser beiden Wellen mit ungleicher Geschwindigkeit erfolgt.

An den vorgenannten Feststellungen von Polder setzt die Erfindung ein. Sie führt zu der Feststellung, daß die beiden zirkulär polarisierenden Wellen sich beim Verlassen des Blockes aus ferromagnetischem Material wieder vereinigen und eijie neue Welle bilden, welche einen verschiedenartigen PolarisationszHstand besitzen kann. Die von Polder vermittelte Erkenntnis konnte nicht bis zu dieser Feststellung führen, da nicht von einem in der Fortpflanzungsrichtung begrenzten Material ausgegangen ist 'und demgemäß jegliche Feststellung hinsichtlich der nach 'dem Austritt der Wellen aus dem Material stattfindenden Vorgänge unmöglich war. Die durch die Wiedervereinigung der zirkulär polarisierten Wellen entstehende Welle kann linear polarisiert sein, wobei die Polarisationsebene eine beliebige Richtung mit Bezug · auf die ursprüngliche Welle besitzen kann. Die austretende Welle kann auch zirkulär polarisiert sein. Darüber hinaus umfaßt dieErfindiung alle Zwischenformen, d. h. auch die elliptische Polarisation, für die durch Wiedervereinigung entstehende Welle.

Im übrigen hat Polder bei der Ableitung seiner Gleichungen unterstellt, daß keine Dämpfung der Elektronen bei der Präzession um die Feldrichtung besteht. Diese Annahme ist möglicherweise bei Frequenzen, die weit von der Resonanzabsorptionsfrequenz entfernt liegen, richtig, aber nicht allgemein gültig. Außerdem hat Polder angenommen, daß keine dielektrischen Verluste vorhanden sind, wenn die Welle durch das ferromagnetische Medium fortschreitet Da aber beträchtliche dielektrische Verluste auftreten, wenn Mikrowellen durch Ferrite fortschreiten, ist eine Erweiterung der Polderschen Theorie notwendig. Außerdem· bedarf die Poldersche Theorie einer Erweiterung, um den ferro- lao magnetischen Faraday-Effekt in der Nachbarschaft der gyromagnetischen Resonanz zu erklären.

Wenn inZ-Richtung ein wirksames magnetisches Feldii₀ auf ein ferromagnetisches Medium einwirkt und wenn dann ein hochfrequentes Feld in einer willkürlichen Richtung angelegt wird, ist die

Beziehung zwischen den periodischen Teilen von B und H (nämlich b und h) durch folgende Gleichungen gegeben:

= fih_x — j μ h_y,

wobei

b₂ =

μ =

(ι) (2) (3)

γ* Η*—ω*

γ²H₀ ²-ω² ■'■

γ = gyromagnetisches Verhältnis für Elektronen
*5 s 17,6 X ίο⁶ in Bogenmaß pro Sekunde

pro Örsted,
ω = Winkelfrequenz der einfallenden Welle

in Bogenmaß pro Sekunde, M₀ = Magnetisierung des Mediums.

Wenn eine ebene elektromagnetische Welle durch dieses Medium in Z-Richtung fortschreitet, ist es zur Beschreibung dieser Welle notwendig, Lösungen zu den Maxwellschen Gleichungen zu finden, die mit den obigen Gleichungen (i), (2) und (3) übereinstimmen und bei denen b, h, E, D sämtlich proportional exp (;ωί — Γ Z) sind.

Es kann gezeigt werden, daß die einzig mögliche Lösung unter diesen Bedingungen entweder in einer positiven oder einer negativen zirkulär polarisierten Welle besteht, deren Ausbreitungskonstanten sind:

und

(4)

JiS-- (5) Wenn die Gleichungen (4) und (5) für die Phasenkonstanten ß₊ und ß_ gelöst werden, erhält man folgendes Ergebnis:

Vμ ± μ' , (⁶)

wobei

ε = ε' — je" =; eine komplexe Dielektrizitätskonstante, und

j ε Ι²= (ε')² + (ε")²·

Aus dieser Beziehung kann man _x einen reellen Brechungsindex für jede Komponente erhalten, der gegeben ist durch

wobei

= Ύ Η ο

4πΜ₀γ

CO_n

(7)

Da die betrachtete elektromagnetische Welle in zwei zirkulär polarisierte Komponenten aufgespalten wird, die im Medium mit verschiedenen Geschwindigkeiten fortschreiten, werden sich die Komponenten nach Verlassen des Mediums vereinigen, um eine eben polarisierte Welle zu bilden, bei der die Polarisationsebene beim Durchgang durch das Medium um einen Winkel θ gedreht worden ist, wobei

(8)

Hierbei ist / = . die Weglänge im ferromagnetischen Medium. Mit Hilfe der obigen Gleichung (6) läßt sich dies schreiben:

ι/-

4πΜ₀γ ]

co,

ι₀ — ω J

(9)

Wenn das wirksame magnetische Feld innerhalb des ferromagnetischen Mediums so klein ist, daß

(ίο)

ist, kann Gleichung (9) geschrieben werden:

Dies läßt sich weiter vereinfachen, wenn

<e ι

ist, zu

Θ_

(12)

(4πΜ_ογ). (I₃) Wenn man als vernünftige Werte annimmt:

4.μΜ₀ = looo Gaufi, / = 16,
e" = o,
ergibt Gleichung (13) eine Drehung von

— = 1,2 in Bogenmaß pro Zentimeter, ixS) = 69° pro Zentimenter.

Ein wichtiges Ergebnis der obigen Untersuchung besteht darin, daß diese verhältnismäßig große Drehung bei Frequenzen auftritt, die sehr verschieden von der Resonanzabsorptionsfrequenz sind, und daß bei Gültigkeit der Bedingungen (io) und (12) die in der Gleichung (13) ausgedrückte Drehung unabhängig von der Frequenz der einfallenden Welle ist. Daher ist jede Einrichtung, die von dieser Drehung Gebrauch macht, in ihren Übertragungseigenschaften breitbandig. Außerdem ist die Drehung proportional der Magnetisierung der Probe. Unterhalb der magnetischen Sättigung ist die Magnetisierung selbstverständlich abhängig vom angelegten magnetischen Feld, und deshalb ist hier die Drehung im wesentlichen proportional dem angelegten magnetischen Feld.

Wenn die magnetischen Verluste bei der Untersuchung berücksichtigt werden, sagt die Theorie außerdem voraus, daß im Bereich, in dem die Freao quenz der einfallenden Welle nahe bei der ferromagnetischen Resonanzabsorptionsfrequenz liegt, die positive, zirkulär polarisierte Komponente im wesentlichen vollständig absorbiert wird, während die negative Komponente mit einer Dämpfung fortschreitet, die nur etwas verschieden von der infolge der gewöhnlichen dielektrischen Verluste auftretenden Dämpfung ist. Infolgedessen ist in der Nähe der Resonanzabsorptionsfrequenz die Welle hinter dem Durchgang durch das ferromagnetische Medium zirkulär polarisiert.

Es ist experimentell nachgewiesen worden, daß diese Theorie die Vorgänge bei den meisten Ferriten bis zur Sättigung quantitativ voraussagt. Zusätzlich haben wir durch Übertragung einer eben polarisierten Welle durch einen Ferritblock im wesentlichen zirkulär polarisierte Wellen erhalten, wenn die Frequenz nahe bei der Resonanzfrequenz lag. Die zugehörigen Übertragungsverluste wurden nur zu etwas mehr als 3 db gemessen. Dies zeigt an, daß die negative Komponente mit nur geringer Dämpfung übertragen wird, während die positive Komponente fast vollständig absorbiert wird.

Es sei bemerkt, daß die Faraday-Drehung in bezug auf ihre Richtung von der Richtung des magnetischen Feldes abhängt, und zwar in der gleichen Weise, wie die Längsbewegung einer Schraube von der Drehrichtung abhängt. Wenn also die Richtung des magnetischen Feldes umgekehrt wird, wird ebenfalls die Richtung der Faraday-Drehung im Raum umgekehrt, während sie den ursprünglichen Zusammenhang mit der Richtung des Feldes beibehält. Die Drehung ist vom Fortpflanzungssinn entlang der Achse des ferromagneti sehen Elements unabhängig. Eine Welle, die durch das Element zuerst in einer Richtung und dann in der anderen hindurchgeht, unterliegt zwei aufeinanderfolgenden Phasendrehungen im gleichen Sinne, wodurch die bei einem einfachen Durchgang auftretende Drehung verdoppelt wird. Dies unterscheidet sich von der Phasendrehung, die man z.B. in einem gewundenen rechteckigen Wellenleiter erhält, indem die Polarisationsebene einer in der einen Richtung hindurchgehenden Welle um einen gewissen Winkel gedreht wird und beim Durchgang der Welle in der umgekehrten Richtung um den gleichen Winkel in die ursprüngliche Orientierung zurückgedreht wird. Die gleiche Unterscheidung gilt für Drehungen, die bei Wellen entstehen, die durch gewisse kristallinische Gebilde hindurchgehen, bei denen eine eben polarisierte Welle keiner Drehung ihrer Polarisationsebene unterworfen ist, wenn die Welle eine gerade Anzahl von Malen durch dasselbe Gebilde hin- und rückwärts hindurchgeht.

Bei einer vereinfachten Betrachtungsweise der enthaltenen Erscheinungen kann man sagen, daß eine eben polarisierte Welle, die in Gegenwart eines magnetischen Feldes auf das magnetische Material auftrifft, zwei Sekundärwellenzüge im Material hervorbringt, die beide zirkulär polarisiert sind. Die beiden Sekundärwellenzüge sind in entgegengesetztem Sinne zirkulär polarisiert und schreiten im Medium mit ungleicher-Geschwindigkeit fort. Nach dem Austritt aus dem Material bilden die Sekundärwellen bei der Zusammensetzung eine eben polarisierte Welle, die am allgemeinen mit einem gegenüber der ursprünglichen Welle verschiedenen Winkel polarisiert ist.

Fig. 2 zeigt, wie das Element der Fig. 1 ent-.weder als veränderbares Dämpfungsglied oder als Modulator verwendet wird. Das Element 1 ist mit den zugehörigen konischen Übergangsgliedern 2 und 3, die aus Polystyrol bestehen können, innerhalb eines kreisförmigen Wellenleiters 4 eingebaut dargestellt, der seinerseits zwischen zwei in einer Linie liegenden, gleich orientierten Wellenleitergliedern 5 und 6 angebracht ist, die als Übergang zwischen kreisförmigen und rechteckigen Wellenleitern dienen. Mit gleicher Orientierung ist gemeint, daß die lange Seite des rechteckigen Wellenleiters im Teil 5 parallel zu derjenigen im Teil 6 liegt; ebenso ist die kleine Seite des Teils 5 parallel zur kleinen Seite des Teils 6. Die Wellenleiterglieder 4, 5 und 6 können mit Hilfe von Flanschen miteinander verbunden werden, von denen einer oder mehrere in irgendeiner bekannten Art drehbar ausgeführt sein können. Auf der Außenseite des Wellenleiterteils 4 ist eine Zylinderspule 7 angeordnet, die von einer Quelle 8 mit Erregerstrom versorgt wird. Diese ist zur Erläuterung als Batterie dargestellt, die durch ein Potentiometer 9 mit einem veränderbaren Kontaktarm 10 überbrückt ist. Eine Modulationsspannungsquelle 11 ist so angeordnet, daß sie auf Wunsch mit Hilfe eines doppelpoligen Umschalters 12 mit der Zylinderspule in Reihe gelegt werden kann. Liegt der Schalter 12 in der unteren Stellung in Fig. 2,·ist die Quelle 11 mit der Zylinderspule/ über einen geeigneten Transformator 13 verbunden. Wenn der Schalter 12 in der oberen Stellung liegt, ist die Quellen abgeschaltet und der Spulenkreis über einen Bügel 14 geschlossen. Bei einer Ausführung, die mit Erfolg gearbeitet hat, besaß die Zylinderspule eine Länge von etwa 30,4 cm, und das Element war im gleichmäßigen

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Bereich des Feldes in der Mitte der Spule angeordnet.

Wenn das System der Fig. 2 als veränderbares Dämpfungsglied betrieben werden soll, wird der Schalter 12 in die obere Stellung gelegt. Die rechteckigen Teile der Wellenleiterstückes ^UI1(i 6 dienen als Polarisatoren für ebene Wellen, indem sie nur die Komponente des elektrischen Vektors aufnehmen, die bei der Wellenform TE₁₀ im rechteckigen Leiter besteht. Mit Hilfe des allmählichen Übergangs vom rechteckigen zum kreisförmigen Querschnitt geht diese Form in die Form TE_n im kreisförmigen Teil des Leiters über. Die Abmessungen der Wellenleiter sind vorzugsweise so *5 gewählt, daß in jedem Leiter nur die Grundform fortgeleitet werden kann. Die Zylinderspule ergibt, wenn, sie erregt wird, ein axiales magnetisches Feld in Richtung der Achse der Einrichtung ι. Die Wellenleiterteile 5 und 6, die in einer ab Linie liegen und gleich orientiert sind, nehmen nur die Komponente des elektrischen Vektors in einer bevorzugten Richtung auf. Wenn der Arm 10 am äußersten rechten Ende des Potentiometers 9 liegt, wird im wesentlichen keine Magnetisierungsspannung an die Zylinderspule 7 angelegt, und es tritt unter der Annahme, daß keine Restmagnetisierung vorhanden ist, keine Drehung der Polarisationsebene im Element 1 auf. Eine Welle von geeigneter Frequenz, die von einem Oszillator her empfangen und dem Teil 5 aufgedrückt wird, geht durch das Element 1 in den Teil 6 ohne Änderung der Polarisationsebene und mit nur geringer Dämpfung, die vom Element 1 herrührt, und die bei einer mit Erfolg betriebenen Ausführung bei einer Wellenlänge von etwa 3 cm zu etwa 0,8 db bestimmt wurde. Die Ausrichtung der Teile 5 und 6 in einer Linie kann mit Hilfe einer drehbaren Verbindung 60 eingestellt werden. In das System kann eine Dämpfung zwischen den Teilen 5 und 6 eingeführt werden, indem der Potentiometer arm 10 nach links bewegt wird, wobei ein einstellbarer Magnetisierungsstrom an die Zylinderspule 7 gelangt. Das Potentiometer kann in bekannter Weise geeicht werden, so daß es in Dezibel oder in anderen geeigneten Einheiten bei irgendeiner Einstellung des Arms 10 die Größe der eingeschalteten Dämpfung anzeigt. Die hinzugefügte Dämpfung entsteht durch Drehung der Polarisationsebene der Wellen, welche infolge des Faraday-EfFekts im Element 1 hervorgebracht wird. Hierdurch wird die Polarisationsebene der Wellen von' der bevorzugten Richtung im Teil 6 weggedreht, so daß nur eine Komponente der vollen Stärke der Welle wirksam ist, um eine Ausgangswelle im Teil 6 hervorzubringen. Die zurückgeworfene Komponente wird durch die Widerstanidsfahnen 46 und 47 absorbiert, die vorzugsweise eingekerbt sind, um einen allmählichen Übergang und bestmögliche Absorption sicherzustellen. Wenn das Element 1 eine Drehung von 45 ° ergibt, beträgt die Intensität der Ausgangswelle des Teils 6 annähernd die Hälfte des Wertes, den sie bei bevorzugter Polarisation haben würde, so daß annähernd eine Dämpfung von 3 db hierdurch erreicht wird. Wenn eine Phasendrehung von 90⁰ eingeführt wird, ist die Welle im rechten Winkel zur bevorzugten Richtung im Teil 6 polarisiert, so daß im Wesentlichen keine Ausgangswelle vorhanden ist. Die maximale Dämpfung, die eingeführt werden kann, ist theoretisch unendlich. In der Praxis kann sie durch Verwendung eines mittelstarken magnetischen Feldes von z. B. etwa 250 Gauß sehr groß gemacht werden. Die Übergangsglieder 2 und 3 dienen zur Verminderung von Wellenreflexionen, die infolge vom Unstetigkeiten' auftreten können, die durch die Oberflächen des Elements 1 hervorgerufen werden. Die Ausgangswellen des Teils 6 können an eine Antenne oder irgendeine geeignete Verbrauchereinrichtung gelangen.

Wenn wir uns nun der Arbeitsweise des Systems der Fig. 2 als Modulator zuwenden, so ist hierbei der Schalter 12 in die untere Stellung gelegt, und der Potentiometer arm 10 kann dauernd auf eine Zwischenstellung auf dem Potentiometer eingestellt werden. In dieser Stellung und bei Nichtvorhandensein von Modulationsspannungen entsteht durch die Zylinderspule 7 am Element 1 ein mittlerer Betrag von Phasendrehung, wobei ein geeigneter Betrag z. B. 45° ist. Die normale Ausgangswelle des Teils 6 ist in diesem Falle demgemäß auf annähernd die Hälfte herabgesetzt. Legt man mit Hilfe der Quelle 11 Modulationsspannungen an, so wird der Magnetisierungsstrom in der Zylinderspule verändert. Hierdurch wird der Betrag der hervorgebrachten Phasendrehung und damit die Ausgangswelle des Teils 6 entsprechend der Änderung der Modulationsspannungen abwechselnd vergrößert und verkleinert. Auf diese Weise wird eine modulierte Welle erzeugt, die in bekannter Weise an die Antenne oder an eine andere Verbrauchereinrichtung geliefert wird.

Bei einer anderen Einstellung und Betriebsweise der Einrichtung der Fig. 2 als Modulator wird der Teil 6 mit Hilfe der drehbaren Verbindung 60 räumlich in einem Winkel zum Teil 5 orientiert. Der Potentiometerarm 10 kann am äußersten rechten Ende des Potentiometers 9 liegen. Der physikalische Winkel des Teils 6 zum Teil 5 kann z. B. zu 45° gewählt werden, In diesem Falle beträgt die Ausgangswelle bei Nichtvorhandensein eines Magnetisierungsstroms die Hälfte der maximal durch optimale Polarisation erreichbaren. Ein Anlegen von Modulationsspannungen über den Transformator 13 ergibt dann einen wechselnden Magnetisierungsstrom in der Zylinderspule 7, der die Polarisationsebene abwechselnd im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn drieht, und hierdurch den Leistungsausgang des Teils 6 entsprechend den Änderungen der Modulationsspannung abwechselnd vergrößert und verkleinert.

Fig. 3 zeigt die Verwendung des Elements 1 zur automatischen Verstärkungsregelung bzw. in einer Schwundausgleichseinrichtung. DieAnordnung der Teile ist die gleiche wie in Fig. 2, mit Ausnahme davon, daß das Potentiometer 9 und der Schalter bei der Batterie 8 weggelassen sind, wobei die

Magnetisierung durch einen Strom von einer festen Quelle hervorgebracht wird. Eine Sonde i5> die vorzugsweise nur wenig in den, Wellenleiter hineinragt, um die Übertragung dort nur geringfügig zu stören, ist in Teil 6 hinzugefügt, um eine Überwachungsspannung von der Welle abzugreifen. Die Sonde 15 kann über eine koaxiale Übertragungsleitung 16 mit einem Überwachungsgleichrichter 17 verbunden werden, dessen Ausgang an einen Widerstand 18 angeschlossen ist, der in den Erregerkreis der Zylinderspule 7 eingeschaltet ist. Der Widerstand 18 ist vorzugsweise in der bei Verstärkungsregelschaltungen üblichen Weise durch einen Kondensator 19 überbrückt. Die Wellenleiterteile S und 6 sind vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, gleich orientiert.

Beim Betrieb der Anordnung der Fig. 3 ist die Spannung der Quelle 8 so gewählt, daß ein mittlerer Betrag an Phasendrehung erzeugt wird, so daß ao normalerweise die Ausgangswelle des Teils 6 geringer als die maximale Ausgangswelle ist. Sie kann vorteilhafterweise die Hälfte des Maximalwertes betragen. Zu der Spannung der Quelle 8 wird infolge des Vorhandenseins des Regelstroms, der vom Überwachungsgleichrichter 17 geliefert wird und der durch den Widerstand 18 hindurchgeht, eine veränderliche Zusatzspannung addiert. Wenn in der dem System über den Teil 5 zugeführten Welle ein Schwund auftritt, so daß die Ausgangsleistung im Teil 6 abnimmt, wird der Betrag der durch die Sonde aufgenommenen Energie ebenfalls geringer, und der zum Widerstand 18 zurückgehende Strom nimmt ab. Die Verbindungen sind so ausgeführt, daß die am Widerstand 18 entstehende Spannung der durch die Quelle 8 gelieferten entgegenwirkt. Infolgedessen nimmt der Betrag der Phasendrehung in der Einrichtung 1 ab, wenn der Uberwachungsstrom kleiner wird, wodurch die Polarisationsebene mehr in die. Richtung der Sonde 15 geschoben und die Ausgangsleistung des Teils 6 erhöht wird, so daß der Tendenz der Ausgangsleistung, infolge des Schwunds, kleiner zu werden, entgegengewirkt wird. Wenn die Eingangsleistung des Teils 5 anwächst, wirkt das beschriebene Rückkopplungssystem so, daß die Phasendrehung im Element 1 größer wird, wodurch die Polarisationsebene gegen die Richtung der Sonde 15 verdreht und die Ausgangsleistung des Teils 6 kleiner wird. Es ist offensichtlich, daß 50. das System in bekannter Weise so ausgelegt werden kann, daß während der Änderungen der Leistung im Eingangsteil 5 in einem weiten Bereich eine im wesentlichen konstante Ausgangsleistung aufrechterhalten bleibt. Der Kondensator 19 bewirkt, daß die schnelleren. Änderungen in der Reaktion des Rückkopplungskreises ausgeglichen werden, so daß unnötiges zeitweiliges Nachstellen der Dämpfung während Einschwingstörungen vermieden wird.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der das Element der Fig. 1 verwendet wird, um eine eben polarisierte Welle in eine zirkulär polarisierte umzuformen.

Die oben gebrachten theoretischen Betrachtungen zeigen, daß der Dreheffekt nach Faraday vom Vorhandensein von Resonanzfrequenzen im magnetischen Material abhängig ist. Nach dem Eintritt in das magnetische Material bildet die angelegte Welle zwei Sekundärwellen, die beide zirkulär polarisiert sind und deren Richtung der Polarisationsebene in beiden Komponenten entgegengesetzt ist. Wenn die Frequenz der angelegten Welle entfernt von der Resonanzabsorptionsfrequenz liegt, sind die beiden sekundären Wellenkomponenten gezwungen, mit ungleicher Geschwindigkeit im magnetischen Material fortzuschreiten. Der relative Unterschied der Geschwindigkeiten wächst, wenn die Frequenz der angelegten Welle sich der Resonanzfrequenz nähert. Wenn die angelegte Frequenz dicht bei der Resonanzfrequenz liegt, findet außerdem eine Absorption in dem Sinne statt, daß Energie von der Wellenkomponente, die in Resonanz oder nahezu in Resonanz ist, innerhalb des Materials in Wärme. oder eine andere Energieform überführt wird. Wenn die Resonanz im wesentlichen vollständig ist, kann somit eine der Wellenkomponenten vollständig absorbiert werden, so daß die andere Komponente durch das Material gehen und am Ausgang des Systems als zirkulär polarisierte Welle austreten kann. Anstatt die Frequenz der angelegten Welle zu ändern, um die Absorption zu erhöhen, ist es auch möglich, die Resonanzfrequenz des magnetischen Materials zu verschieben, indem das magnetische Feld geändert wird. Bei Mikrowellen ist die magnetische Resonanzfrequenz normalerweise viel geringer als die Frequenz der angelegten Welle, jedoch kann die Resonanzfrequenz dadurch in den Zentimeterwellenbereich verlegt werden, daß ziemlich große Magnetisierungsfelder angewandt werden. Die Eliminierung einer der zirkulär polarisierten Komponenten ergibt selbstverständlich einen Verlust von annähernd 3 db. Trotzdem ist dieser Verlust in Anbetracht des Vorteils, daß man eine zirkulär polarisierte Welle erhält, nicht übermäßig.

In Fig. 4 ist ein rechteckiger Wellenleiter 20 dargestellt, der in einen kreisförmigen Teil 21 einmündet, welcher das Element 1 enthält und von der an die Batterie 8 angeschlossenen Spule 7 umgeben ist.

Beim Betrieb des Systems der Fig. 4 soll die Spannung der Quelle 8 so groß gemacht werden, daß die magnetische Resonanzfrequenz des Elementes ι in annähernde Übereinstimmung mit der Frequenz der an dem Wellenleiter 20 angelegten Wellen gebracht wird. Im Ergebnis ist dann die Ausgangswelle des Teils 21 im wesentlichen zirkulär polarisiert.

Fig. 5 zeigt ein Schaltsystem mit vier Zweigen. Die Figur stellt außerdem dar, wie drei dieser "° Zweige als Schaltsystem verwendet werden können, insbesondere als Einrichtung, mit der man die gleiche Frequenz gleichzeitig von derselben Antenne senden und empfangen kann und die als Mikrowellenrelaissystem für Nachrichtenübertragungs- zwecke verwendet werden kann. Die Dicke des

Elementes ι- und die Spannung der Quelle 8 sollen - so bemessen sein,..daß sich eine Drehung der Polarisationsebene um 45° ergibt. Der Ausgangswellenleiterteil 6 ist gegen den Eingangsteil 5 vorzugsweise um einen Winkel von 45 ° fest verdreht, und zwar in der gleichen Richtung wie die Drehung, die durch das Element 1 entsteht. Auf der Eingangsseite des Elementes 1 ist eine horizontale, abstimmbare Sonde 30 angebracht, die im rechten Winkel zur (vertikalen) Richtung der Polarisation des Wellenleiterteils 5 angeordnet ist. Eine weitere abstimmbare Sonde 31 liegt auf der Ausgangsseite der Einrichtung 1. Sie ist vorzugsweise in einem Winkel von 45 ° zur Vertikalen in einer Richtung angeordnet, die entgegengesetzt zur Drehung im Element 1 liegt. Der Wellenleiterteil 6 ist über eine geeignete Verbindung an eine Antenne oder ein Horn 32 angeschlossen. Die abstimmbare Sonde 30 ist in geeigneter Weise an einen Empfänger 33 angeschlossen, die abstimmbare Sonde 31 an irgendein gewünschtes System oder einen Kreis 34. In dem kreisförmigen Wellenleiter befinden sich vorzugsweise gut leitende Fahnen 35 und 35', um Wellen zu reflektieren, deren Polarisationsebene »5 mit der Ebene der Fahnen übereinstimmt. Der Abstand zwischen jeder Fahne und der angrenzenden Sonde kann eingestellt werden, um die maximale Leistung an die entsprechenden Kreise zu übertragen.

Die Arbeitsweise des Systems der Fig. 5 kann am besten an Hand des Diagramms der Fig. 6 erklärt werden. Eine vertikal polarisierte Welle, z. B. vom Sender a, der an den Wellenleiter 5 angeschlossen ist, hat eine zu vernachlässigende Wirkung auf die Sonde 30, weil letztere im rechten Winkel zur Polarisationsrichtung im Wellenleiter 5 liegt. Die vertikal polarisierte Welle wird durch das Element 1 um 45 ° gedreht, wodurch ihre Polarisationsebene im rechten, Winkel zur Richtung der Sonde 31 und. in. die bevorzugte Richtung der Übertragung durch den Wellenleiter 6 zur Antenne 32 gebracht wird. Von Teil 5 zur Antenne 32 findet daher eine im wesentlichen unbehinderte Übertragung statt. Diese Bedingung ist in Fig. 6 durch radiale Pfeile α bzw. b angedeutet, die zu einem Ring 36 und einem Pfeil 37 gehören, welche die Fortschreitungsrichtung von α nach b angeben. Wenn eine Welle aus dem Raum durch die Antenne 32 empfangen wird, so liegt die Polarisation, der empfangenen Welle gezwungenermaßen im Teil 6 in der Richtung, die durch b angegeben ist, nämlich im rechten Winkel zur Sonde 31. Sie wird durch das Element 1 um 45 ° in gleicher Richtung in bezug auf das magnetische Feld gedreht, wie es durch den Pfeil 38 in Fig. 5 angedeutet ist. Hierdurch erhält die Welle eine Polarisation, die mit der Richtung der Sonde 30 übereinstimmt, so daß die Welle zum Empfänger 33 geleitet wird. Wenn etwas von dieser Welle in den rechteckigen Teil des Wellenleiters 5 eindringen sollte, ergibt sich, daß sie nicht in der bevorzugten Richtung liegt. Sie kann zusätzlich mit Hilfe einer leitenden Fahne reflektiert werden. Die Fahne ist an einer solchen Stelle angebracht, daß die abstimmbare Sonde 30 eine Antianode im Spannungsbild der stehenden Welle ist. Man erkennt, daß die Welle mit einer Polarisation, wie sie durch b dargestellt ist, über das System zum Empfänger mit der durch c angegebenen Polarisation geleitet wird. Diese Übertragung-ist durch den Pfeil 37 in Fig. 6 angedeutet, der den Pfeil b in die Richtung des Pfeiles c zu bringen sucht. Eine Welle mit einer durch c dargestellten Polarisation, die der Sonde 30 in irgendeiner bekannten Weise aufgedrückt wird, wird nicht zum Sender α übertragen. Wenn sie durch das Element 1 um 45 ° gedreht wird, ist sie in der richtigen Richtung polarisiert, um durch die Sonde 31 zum Kreis 34 übertragen, zu werden, wie es in Fig. 6 durch Übertragung von c nach d angegeben ist. Bei dem oben angeführten Beispiel werden der Kreis 34 und die Sonde 31 nicht gebraucht, doch können diese auf Wunsch bei anderen Anwendungen des allgemeinen Systems der Fig. 5 verwendet werden. Eine in der Richtung d polarisierte Welle, die an der Sonde 31 in irgendeiner bekannten Weise aufgedrückt wird, wird durch das Element 1 um 45° in die Polarisationsrichtung α gedreht, jedoch besitzt sie das entgegengesetzte Vorzeichen wie die im Sender erzeugte Welle. Die Umkehr des Vorzeichens ist in Fig. 6 durch den mit — α bezeichneten Pfeil angedeutet.

Fig. 7 zeigt ein anderes Diagramm, welches dasselbe aussagt wie das Diagramm in Fig. 6, doch in etwas anderer Form. Hier sind die Zweige a-, b, c und d in rechtem Winkel zueinander gezeichnet. Sie können als die vier Kreise der Fig. 5 angesehen werden, wobei jeder Zweig ohne Rücksicht auf seine Polarisationsrichtung betrachtet wird. Der Pfeil 39 gibt zusammen mit dem Minuszeichen 40 das Schema der Übertragung an. Die Übertragung der bei α aufgedrückten Wellen führt zum Kreis b, die Übertragung von b führt zum Kreise, die Übertragung vom Kreis c führt zum Kreis d, und die Übertragung vom Kreis d führt unter Vorzeichenwechsel zum Kreis a. Dem mit der Technik vertrauten Fachmann ist es offensichtlich, daß die Kreise c und d auch durch andere Mittel als die dargestellten koaxialen abstimmbaren Sonden mit dem Wellenleiter gekoppelt werden können.

Fig. 8 zeigt ein Einwegübertragungssystem, das die Erfindung in ähnlicher Weise verkörpert wie das System der Fig. 5. Die Abstimmglieder 30 und 31, der Empfänger 33 und der Kreis 34 sind fortgelassen. Der Wellenleiterteil 6 sei an irgendeine gewünschte Belastung angeschlossen. Ferner sind statt der Reflexionsfahnen 35 und 35' Widerstandsfahnen 46 und 47 verwendet.

Für den Betrieb des Systems der Fig. 8 sei ein Sender an den Eingangswellenleiterteil 5 angeschlossen. Mit dem Ausgangswellenleiterteil sei z. B. eine Übertragungsleitung verbunden, wobei diese Leitung Unstetigkeiten aufweise, die einen Teil der in die Leitung gehenden Welle reflektiert. Das System der Fig. 8 arbeitet so, daß eine Wirkung der reflektierten Welle auf den Sender verhindert oder stark vermindert wird. Um zu

verstehen, wie diese Wirkung erzielt wird, sei eine vertikal polarisierte Welle betrachtet, die dem Wellenleiterteil 5 durch den Sender aufgedrückt ist. Diese Welle erfährt eine 45°-Drehung ihrer S Polarisationsebene im Uhrzeigersinn, wenn sie das Element 1 von links nach rechts durchquert, und ist somit in der Lage, ohne Beeinträchtigung durch den Wellenleiterteil 6 zur Übertragungsleitung hindurchzugehen. Ein reflektierter Teil der auf diese Weise in die Leitung eintretenden Welle, der mit der gleichen Polarisationsrichtung zurückkehrt, erfährt beim Durchgang durch das. Element 1 eine weitere Drehung der Polarisationsebene, wodurch die Polarisationsebene räumlich um 90⁰ gegen die bevorzugte Polarisationsebene des Wellenleiterteils 5 gedreht ist. Dementsprechend wird die reflektierte Welle gesperrt oder stark gedämpft, und ihre Rückwirkung auf die gesendete Welle ist im Vergleich zu dem Vorgang bei Nichtvorhanden-

ao sein der erfindungsgemäßen Mittel stark verringert.

Fig. 9 zeigt ein Schaltsystem mit vier Zweigen

und mit im allgemeinen ähnlicher Wirkungsweise wie das in Fig. 5 dargestellte System, abgesehen davon, daß die Phasenumkehr, die durch das Minuszeichen 40 im Diagramm der Fig. 7 angegeben ist, fortfällt. In Fig. 9 stehen die bevorzugten Richtungen des Eingangsteils¹ des Wellenleiters 41 und des Ausgangswellenleiters 42 im rechten Winkel zueinander, und das Element 1 ist so eingerichtet, daß es eine Drehung von 90⁰ ergibt. Die Wellenleiter 41 und 42 führen jeweils zu einem Arm der Wellenleiterverbindungen oder T-Stücken 43 und 44. Die T-Verbindungen sind von der Art, die gewöhnlich mit »magisches T« oder auch mit Wellenleitergabel bezeichnet wird. Jede der T-Verbindungen 43 und 44 führt zu zwei Zweigen, die bei der Verbindung 43 mit α und c und bei der Verbindung 44 mit b und d bezeichnet sind. Zwischen der Stromquelle 8 und der Zylinderspule 7 ist ein Umkehr-

4<> schalter 45 vorgesehen, um auf Wunsch die Magnetisierung des Elementes 1 umkehren zu können. Zur Absorption von Wellenkomponenten mit unerwünschten Polarisationsrichtungen sind Widerstandsfahnen 46 und 47 angebracht. Eine Wider- standsfahne 48, die einstellbar sei, ist in der Wellenleiterverbindung zwischen den Verbindungen 43 und 44 angeordnet, um die Dämpfung in den, beiden Zweigen zwischen den Verbindungen 43 und 44 gleichzumachen. Der eine dieser Zweige geht über das Element 1, der andere über den Wellenleiter 49. Der Wellenleiter 41 weist bei 50 eine feste Verwindung von 90⁰ auf.

Die Wirkungsweise der Einrichtung der Fig. 9 läßt sich am besten an Hand der Fig. 10 erklären.

Diese Figur ist ebenso ausgeführt wie die Fig. 6. Eine in die Verbindung 43 von Kreis α hier eintretende Welle teilt sich an der Verbindung in zwei Teile, wobei ein Teil über das Element 1 und der andere über den Wellenleiter 49 geht. Der durch das Element 1 hindurchgehende Teil der Welle erfährt eine Drehung um 90⁰, die zusammen mit der Verwindung im Wellenleiter bei 50 diesen Teil der Wellen der Verbindung 44 mit der gleichen. Polarisation und der gleichen Zeitphase zuführt, wie die über den Wellenleiter 49 kommende Welle aufweist, wenn die beiden Weglängen so bemessen sind, daß diese Phasenbeziehungen vorhanden sind. Diese beiden Komponenten heben, sich im Kreis d auf, setzen sich aber im Kreis b mit gleicher Phase zusammen. Somit hat man, wie in Fig. 10 dargestellt, eine im wesentlichen freie Übertragung von α nach b, wobei der Fortscbreitungssinn durch den dicken Pfeil 51 angegeben ist. Wellen, die vom Kreis b her- in die Verbindung 44 eintreten, teilen sich in zwei polarisierte Komponenten mit gleichem Vorzeichen, von denen die eine durch den Wellenleiter 49 und die andere durch das Element 1 mit einer Drehung von 90⁰ geht. Die letztgenannte Komponente trifft nach dem Durchgang durch den verwundenen Teil 50 an der Verbindung 43 in einer solchen Phasenlage zu der anderen Komponente ein, daß sie frei zum Kreis c übertragen und im Kreis α aufgehoben wird. In gleicher Weise findet freie Übertragung einer im Kreis c entstandenen Welle zum Kreis d und einer im Kreis d entständenen Welle zum Kreis α statt, wie in Fig. 10 angegeben ist. Wenn der Umkehrschalter 45 betätigt wird, um die Magnetisierung der Elemente 1 umzukehren, werden die Übertragungseigenschaften umgekehrt, wie durch den dünnen Pfeil 52 in Fig. 10 angegeben ist.

Das Element 1 stellt, wenn es so betrieben wird, daß es, wie z. B. in der Anordnung der Fig. 9, eine Drehung von 90⁰ hervorbringt, eine Einrichtung dar, die von B. D. H. Tel legen ein »Gyrator« genannt wurde, und zwar in einem Aufsatz mit dem Titel »The Gyrator, a New Electric Network Element« in den »Philips Research Reports«, Bd. 3, S. 81 bis ior, veröffentlicht 1948. Teilegen definiert den idealen Gyrator als passives Vierpolelement, das beschrieben ist durch

V₁ = —Si₂, v_z = Si₁,

(19)
(20)

wobei v¹ und V₂ die Spannungen an den Eingangsbzw. Ausgangsklemmenpaaren der Einrichtung, i_x und I₂ die entsprechenden Ströme der Eingangsbzw. Ausgangsklemmenpaare sind und S ein (komplexer) Proportionalitätsfaktoor ist. Da die Koeffizienten von i₂ und i_x in den Gleichungen (19) und (20) entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen, verletzt der Gyrator das reziproke Prinzip. Mit einfachen Worten bedeutet die Gleichheit der Koeffizienten bei entgegengesetzten Vorzeichen, daß eine Phasendifferenz von i8o° in bezug auf das Fortschreiten der Wellen im Gyrator in den beiden Richtungen vorhanden ist. Aus diesem Grunde kann der Gyrator eine nicht reziproke Einrichtung genannt werden. Er stellt eine besondere Klasse von Einrichtungen' dar, die nicht reziprok genannt werden können, weil sie das reziproke Prinzip verletzten. Die Einrichtung der Fig. 9 kann auch als richtungsselektiver Phasenschieber beschrieben werden. Sie ergibt eine Phasendiffe- ias renz von i8o° zwischen Übertragungen in ent-

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gegengesetzten Richtungen, so daß eine Welle, die zweimal in entgegengesetzter Richtung durch das Element ι hindurchgeht, eine gesamte Phasenverschiebung von i8o° erfährt, oder, was dasselbe ist, eine Phasenumkehr. Im Gegensatz zu dieser Einrichtung ist ein reziproker Phasenschieber eine Einrichtung, die keine Phasenverschiebung hervorbringt, wenn sie zunächst in einer Richtung, dann in der entgegengesetzten von einer Welle durchquert wird.

Fig. Ii zeigt eine Anordnung, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße System mit massiven Polschuhen oder mit einem magnetischen. Kern, wie er z. B. bei 55 dargestellt ist, verwendet werden kann. Dieser kann ein Permanentmagnet oder der Kern eines Elektromagneten sein. Der Wellenleiter, der das Element 1 enthält, ist in die Bohrungen 56 und 57 des Kernes 55 eingeschoben, wobei die Achsen der Bohrungen vorzugsweise parallel zur Richtung des magnetischen Flusses liegen. Der Wellenleiter kann zwischen einen Sender und eine Belastung geschaltet sein, und zwar in einer Weise und mit einer gegenseitigen Orientierung der rechteckigen Wellenleiterteile, wie sie bei den Darstellungen der anderen Ausführungen der Erfindung gezeigt ist. Es ist offensichtlich, daß die Übergangsglieder 2 und 3 vorteilhafterweise dieselbe Zusammensetzung aufweisen können wie das Element 1, wobei eine weitere Verminderung der Reflexionen erzielt wird, während die Übergangsglieder selbst dann ebenfalls zur Faraday-Drehung beitragen. Auch können die Übergangsglieder 2 und 3 und das Element 1 zu einem einzigen Glied zusammengefaßt werden.

Das Nickel-Zink-Ferrit-Element, das so hergestellt ist, wie es an Hand der Fig. 1 beschrieben wurde, hatte zylindrische Form mit einer Länge xpn 1,4 cm und einem Durchmesser, der in einen kreisförmigen Wellenleiter mit einem Innendurchmesser von 2,3 cm hineinpaßte. Fig. 12 zeigt Meßergebnisse, die mit diesem Element erhalten wurden. Die Abszisse stellt die Stärke des angelegten Magnetfeldes in örsted dar, während auf der Ordinate die sich ergebende Faraday-Drehung aufgetragen ist, ausgedrückt in Grad pro Zentimeter Dicke des Materials, das von den aufgedrückten Wellen durchquert wird. Der Kurve kann entnommen werden, daß bei einer Dicke des Materials von 1,4 cm ein D rehungswinkel von 45 ° erreicht wird, indem ein Magnetfeld von etwa 320 örsted angelegt wird, und ein Winkel von 90⁰ indem ein Feld von etwa 1040 örsted angelegt wird. Es bestand dabei Sättigung. Bei etwa 96° wurde die Sättigung mit Hilfe eines angelegten Magnetfeldes von etwa 1350 Gauß erreicht.

Bei jeder der dargestellten Verkörperungen der Erfindung kann das Element 1 durch ein anderes festes Material als Ferrit ersetzt werden, wobei die Wahl des Materials nur durch das Vorhandensein einer richtigen Resonanzabsorptiotisfrequenz begrenzt ist, die nicht zu weit von der gewünschten Frequenz der einfallenden Wellen entfernt liegen darf.

Da die Drehung der Magnetisierung und nicht dem angelegten magnetischen Feld proportional ist, ist es offensichtlich, daß die Zylinderspule fortgelassen werden kann, wenn ein geeignetes ferromagnetisches Material verwendet wird, das permanent magnetisiert werden kann.

Selbstverständlich stellen die oben beschriebenen Anordnungen nur Beispiele für die Anwendung des' Prinzips der Erfindung dar. Zahlreiche andere Anordnungen können vom mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann vorgeschlagen werden, ohne vom Wesen und Ziel der Erfindung abzuweichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Einrichtung zur Beeinflussung von linear So bzw. eben polarisierten Wellen im Mikrowellenbereich, die einen Block aus einem festen ferromagnetischen Material im Bereich eines innerhalb eines Wellenleiters bestehenden longitudinal polarisierenden magnetischen Feldes in der Bewegungsbahn der zu beeinflussenden Wellen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter ein zylindrischer Hohlleiter ist und daß die Abmessungen des Blocks in Fortpflanzungsrichtung, die Magnetisierung des Blocks, die längs der Wellenbewegung verlaufende Komponente des magnetisierenden Feldes und das Material des Blocks so gewählt werden, daß wenigstens eine der beiden zirkulär polarisierten Wellen, in die sich die ebene Welle nach Eintritt in das ferromagnetische Material zerlegt, nur wenig gedämpft wird, während die aus dem Block austretende wiedervereinigte Welle den gewünschten Polarisationszustand besitzt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide aus der ebenen Welle entstandenen zirkulär polarisierten Wellen im wesentlichen gleichmäßig gedämpft werden, während die wiedervereinigte, aus dem Block heraustretende Welle, unter der gewünschten Verdrehung der Polarisationsebene mit Bezug auf die zu beeinflussende Welle eben polarisiert

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Drehung der Polarisationsebene, dadurch ge- no kennzeichnet, daß der Block aus einem ferromagnetischen metallischen Material mit passend niedriger Dämpfung pro Dickeneinheit besteht und die Dicke des Blocks, die Magnetisierung des Blockmaterials und die längs der Wellenbewegungsbahn verlaufende Komponente des magnetisierenden Feldes wechselseitig die Größe der Drehung bestimmen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Block aus ferromagnetischem metallischem Stoff permanent magnetisiert ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Block aus ferromagnetischem Stoff ein ferromagnetisches Metalloxyd ist, z. B. ein Nickel-Zink-

Ferrit, und daß um den Wellenleiterbereich, der den Block umgibt, eine mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbundene Zylinderspule angebracht ist, die dem Block in Richtung der Längsachse des Wellenleiters ein magnetisches Feld aufdrückt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, die als veränderbares Dämpfungsglied verwendet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der zylin-

10. drische Wellenleiter, der den Block umgibt, zwischen zwei richtungsselektiven, Wellenleitern, z. B. rechteckigen Wellenleitern, angeordnet ist und daß ein veränderbares Potentiometer zwischen die Zylinderspule und die elektrische Gleichspannungsquelle geschaltet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, die als Modulator verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Wellenleiter, der den Block umgibt, zwischen zwei richtungs-

ao selektiven Wellenleitern, z. B. rechteckigen Wellenleitern, angeordnet ist und daß eine elektrische Wechselspannungsquelle an die mit der Zylinderspule verbundene Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden richtungsselektiven Wellenleiter an den zylindrischen Wellenleiter, der den Block umgibt, angeschlossen sind, und zwar so, daß die Richtungen der richtungsselektiven Wellenleiter einen, wesentlichen Winkel zueinander aufweisen.

9. Einrichtung nach Anspruch 5, die zur automatischen Verstärkungsregelung verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Wellenleiter, der den Block umgibt, an einem Ende mit einem richtungsselektiven rechteckigen Eingangswellenleiter und am anderen Ende mit einem richtungsselektiven rechteckigen Ausgangswellenleiter verbunden ist und daß eine Sonde in den Ausgangs wellenleiter hineinragt und mit der Zylinderspule verbunden ist, um einen Teil der Ausgangswelle vom Ausgangswellenleiter an die Zylinderspule rückzukoppeln, damit Änderungen der Intensität der Ausgangswelle ausgeglichen werden.

10. Einrichtung nach Anspruch 5, die als Mikrowellenschalter verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Wellenleiter, der den Block umgibt, zwischen ein erstes und ein zweites Paar rechteckiger Wellenleiter geschaltet ist, wobei die selektiven Richtungen der beiden Wellenleiter eines jeden Paares gegenseitig senkrecht zueinander stehen, die selektiven Richtungen, des ersten Wellenleiterpaares im wesentlichen um 45 ° gegen die selektiven Richtungen des zweiten Paares geneigt sind, und die Spannung der Gleichspannungsquelle eine solche .Größe hat, daß eine Drehung der Polarisationsebene der durch den Block gehenden Welle von im wesentlichen 45 ° erzeugt wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 5, die als Mikrowellenschalter verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Wellenleiter, der den Block umgibt, zwischen zwei rechteckige Wellenleiter geschaltet ist, die einen Zweig einer Wellenleitervorrichtung bilden, welche aus vier rechteckigen Wellenleitern besteht, wobei die entsprechenden Zweige der beiden rechteckigen Wellenleiter einer Ausgleichsvorrichtungmiteinander verbunden sind, wobei ferner einer- der rechteckigen Wellenleiter, die mit dem zylindrischen Wellenleiter verbunden sind., einen verwundenen Teil enthält, der eine Drehung der elektromagnetischen Wellenbahn um im wesentlichen 90⁰ bewirkt, wobei ferner je ein Übergangsglied von rechteckigem zu kreisförmigem Querschnitt an jedem Verbindungsbereich zwischen den rechteckigen Wellenleitern und dem zylindrischen Wellenleiter sowie eine einstellbare Fahne in den entsprechenden zwischengeschalteten Ausgleichszweigen vorhanden ist, und wobei schließlich die Spannung der Gleichspannungsquelle eine solche Größe aufweist, daß eine Drehung der Polarisationsebene der durch den Block gehenden Welle von im wesentlichen 90⁰ hervorgebracht wird.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der zirkulär polari- go sierten Wellen, in die sich die ebene Welle nach Eintritt in das ferromagnetische. Material zerlegt, nur wenig gedämpft wird, während die andere zirkulär polarisierte Welle in angemessener Weise gedämpft wird, und daß die aus dem Block austretende Welle eine elliptische Polarisation von irgendeinem gewünschten Achsenverhältnis besitzt.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Faradaysches Drehungsele- ment, welches aus einem ferromagnetischen Metalloxyd besteht.

14. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Faradaysches Drehungselement, welches aus einem Ferrit besteht.

15. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Faradaysches Drehungselement, welches aus den Teilchen eines feinzerkleinerten magnetisierbaren Materials besteht, welche mittels eines dielektrischen Bindemittels zusammengehalten werden.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 806 150; The Physical Review, Vol. 86, Second Series, April 1952, S. 122 und 123;

französische Patentschrift Nr. 783004; Philosoph. Magazine, 1949, Bd. 40, S. 99 bis 115.

Hierzu 1 Blaitt Zeichnungen