SE507124C2

SE507124C2 - Circulator for microwave and higher frequency ranges

Info

Publication number: SE507124C2
Application number: SE9203790A
Authority: SE
Inventors: Christer Aasmaee; Tobias Eliasson; Anders Quist; Olle Barne
Original assignee: Ericsson Telefon Ab L M
Priority date: 1992-12-17
Filing date: 1992-12-17
Publication date: 1998-04-06
Also published as: SE9203790D0; SE9203790L

Abstract

The ferrite material (13,14) is placed between a wave conductor wall (1) and a movable component (6) in an opposite second wave conductor wall (2). The movable component is pressed in the direction of the ferrite material by the effect of a sprung component (10). The end of the movable component turned towards the ferrite material is formed as a radial transformer which matches the impedance of the wave conductors to that of the circulator. The ferrite material is enclosed by a dielectric casing (12). The casing position is determined by a raised formation (11) on the movable component matched to the internal dimensions of the casing. The sprung component consists of a spiral spring. The movable component is formed to contain a magnet (17) and is arranged in the first wave conductor wall.

Description

10 15 20 25 30 35 507 1:24 2 En mängd olika utförande av cirkulatorer'med ferritmaterial är kända. Så kan som exempel hänvisas till en samman- ställning över cirkulatorer av "junctiontyp" (knutpunkts- cirkulatorer) i tidskriften Electronic Engineering, September 1974, sidan 66-68. Gemensamt för dessa cirkulato- rer är att kombinationer av ferritmaterial och dielektriska material är placerade mellan en vågledares väggar. För anpassning av cirkulatorns impedans till de anslutna vågledarna är normalt också en impedanstransformator placerad i anslutning till ferritmaterialet. 10 15 20 25 30 35 507 1:24 2 A variety of circulators' with ferrite material are known. For example, reference may be made to a position over "junction-type" circulators (node circulators) in the journal Electronic Engineering, September 1974, pages 66-68. Common to these circulators rer is that combinations of ferrite material and dielectric materials are placed between the walls of a waveguide. For adjusting the impedance of the circulator to the connected ones the waveguides are normally also an impedance transformer placed adjacent to the ferrite material.

För att uppnå goda elektriska egenskaper i form av låg inlänkningsdämpning och hög isolation i kombination med stor bandbredd, ställs det bland annat stora krav på de ingående komponenternas mekaniska mått och placering.To achieve good electrical properties in the form of low insertion damping and high insulation in combination with large bandwidth, great demands are placed on them, among other things the mechanical dimensions and location of the components.

Speciellt viktigt är detta för signaler'i millimeterområdet där komponenterna blir mycket små. Då det ofta är nöd- vändigt att fixera komponenterna, används i stor utsträck- ning limning, vilket gör efterföljande justeringar svåra att utföra. Detta innebär också att monteringsarbetet vid cirkulatorns tillverkning blir komplicerat och att felfre- kvensen blir hög. Resultatet blir att cirkulatorn blir dyr att tillverka.This is especially important for signals in the millimeter range where the components become very small. As it is often necessary difficult to fix the components, is widely used gluing, which makes subsequent adjustments difficult to perform. This also means that the assembly work at the manufacture of the circulator becomes complicated and that the frequency becomes high. The result is that the circulator becomes expensive to manufacture.

Ett sätt att underlätta monteringsarbetet är att montera ferritkomponenterna och de dielektriska materialen som ett paket genom ett hål i vågledaren. Hålet försluts därefter med en elektriskt ledande plugg som dels, genom en fläns, har galvanisk förbindelse med vågledaren, dels pressar paketet mot den motsatta vågledarväggen. En sådan typ av cirkulator finns bland annat beskriven i Microwave Systems News, vol.15, no.13, December 1985, sidan 104-105.One way to facilitate the assembly work is to assemble the ferrite components and the dielectric materials as one package through a hole in the waveguide. The hole is then closed with an electrically conductive plug which, partly through a flange, has galvanic connection with the waveguide, partly presses the package against the opposite waveguide wall. Such a type of circulator is among other things described in Microwave Systems News, vol.15, no.13, December 1985, pages 104-105.

Nackdelen med denna cirkulator är emellertid att den endast förenklar monteringen. Genom att pluggens fläns måste ha kontakt med vågledaren är pluggens läge bestämt och därmed 10 15 20 25 30 35 507 124 3 avståndet mellan pluggens yta och motsatta vågledarväggen.The disadvantage of this circulator, however, is that it only simplifies assembly. Because the plug flange must have contact with the waveguide, the position of the plug is determined and thus 10 15 20 25 30 35 507 124 3 the distance between the surface of the plug and the opposite waveguide wall.

Eftersom en god termisk kontakt mellan paketet och vâgle- darväggarna är väsentlig samtidigt som ferritmaterialet lätt skadas av för högt mekaniskt tryck, måste man ställa extrema måttkrav på såväl plugg som paket.Since a good thermal contact between the package and the the walls are essential at the same time as the ferrite material easily damaged by excessive mechanical pressure, must be set extreme dimensional requirements for both plugs and packages.

En ytterligare nackdel med de kända cirkulatorerna är att, på grund av materialens olika längdutvidgningskoefficien- ter, temperaturvariationer kan utsätta paketet för sådant tryck att ferritmaterialet spricker'med upphörd cirkulator- funktion som följd. Även motsatsen kan givetvis förekomma - trycket upphör och en luftspalt uppkommer mellan paketet och vågledarvägg/plugg varigenom prestanda allvarligt påverkas.A further disadvantage of the known circulators is that, due to the different length expansion coefficients of the materials temperature variations can expose the package to such pressure that the ferrite material cracks' with ceased circulation function as a result. The opposite can of course also occur - the pressure ceases and an air gap arises between the package and waveguide wall / plug whereby performance is serious affected.

Syftet med föreliggande uppfinning är därför att eliminera ovannämnda problem genom en cirkulator där de ingående komponenterna enkelt men med stor noggrannhet kan monteras samtidigt som måttkraven på komponenterna blir rimliga utan att de elektriska egenskaperna därmed försämras i alltför hög grad. Dessutom skall cirkulatorn kunna användas inom ett stort temperaturområde utan försämrade egenskaper eller risk för mekaniska skador.The object of the present invention is therefore to eliminate the above problems through a circulator where the included the components can be mounted easily but with great accuracy at the same time as the dimensional requirements for the components become reasonable without that the electrical properties thereby deteriorate in too High grade. In addition, the circulator must be able to be used within a large temperature range without deteriorating properties or risk of mechanical damage.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ovannämnda syfte uppnås genom en cirkulator enligt före- liggande uppfinning, vars kännetecken framgår av efter- följande patentkrav 1.DESCRIPTION OF THE INVENTION The above object is achieved by a circulator according to the present invention. the present invention, the characteristics of which are apparent from the following claims 1.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar ett snitt genom en cirkulator enligt uppfinningen.DESCRIPTION OF FIGURES Figure 1 shows a section through a circulator according to the invention.

Figur 2 visar motsvarande snitt genom ett alternativt utförande av cirkulatorn. 10 15 20 25 30 35 507 124 FÖREDRAGEN UTr-*öRINGsFoRM I det följande beskrivs med hänvisning till figur 1 ett exempel på en fördelaktig utföringsform av en cirkulator enligt uppfinningen. Cirkulatorn i exemplet är en 3- portscirkulator. Portarna på en sådan cirkulator är placerade regelbundet runt cirkulatorns periferi, 120° ifrån varandra. Det i figuren visade snittet går genom en av portarnas mittpunkt och cirkulatorns centrum.Figure 2 shows the corresponding section through an alternative design of the circulator. 10 15 20 25 30 35 507 124 PREFERRED EXTENSION FORM In the following, with reference to Figure 1, a example of an advantageous embodiment of a circulator according to the invention. The circulator in the example is a 3- port circulator. The ports on such a circulator are placed regularly around the periphery of the circulator, 120 ° away from each other. The section shown in the figure goes through one of the center of the gates and the center of the circulator.

Cirkulatorn omfattar två block, en överdel 1 och en underdel 2. Dessa delar är sammanfogade genom ett inte visat skruvförband. Från cirkulatorns centrumaxel 3 utgår i underdelen radiellt tre spår med rektangulärt tvärsnitt.The circulator comprises two blocks, an upper part 1 and one subpart 2. These parts are joined by a not shown screw connection. Starting from the center axis 3 of the circulator in the lower part radially three grooves with a rectangular cross-section.

De tre spåren är åtskilda 120% Tillsammans med överdelens 1 undersida bildar de tre spåren vågledare som utgör cirkulatorns portar. I figuren anger referensen 4 en sådan port. I cirkulatorns centrum bildar vågledarna ett utrymme 5. Detta utrymme kan ges olika form beroende på till- verkningsmetod och önskade egenskaper hos cirkulatorn.The three grooves are 120% separated together with the upper part 1 underside forms the three tracks waveguides that make up circulator gates. In the figure, the reference 4 indicates one port. In the center of the circulator, the waveguides form a space 5. This space can be given different shapes depending on the method of action and desired properties of the circulator.

I underdelen 2 finns ett centrumhål i vilket ett rörligt element med glidpassning kan röra sig. Det rörliga elemen- tet är i figur 1 ritat som en kolv 6. Hålet och kolven har i det visade exemplet cirkulär form men andra former är möjliga att använda. Den från utrymmet 5 vända delen av hålet har större diameter än den närmast utrymmet belägna ändan. Hålet är genom ett på underdelen placerat lock 7 förslutet så att ett hålrum 8 bildas.In the lower part 2 there is a center hole in which a movable elements with sliding fit can move. The variable element The figure is drawn in Figure 1 as a piston 6. The hole and the piston have in the example shown circular shape but other shapes are possible to use. The part of the space 5 facing away from the space 5 the hole has a larger diameter than the one closest to the space end. The hole is through a lid 7 placed on the lower part closed so that a cavity 8 is formed.

Kolven 6 är försedd med en fläns 9 mot vilken en fjäder 10 ligger an. Fjädern är hoptryckt genom att dess andra ända stöder mot locket 7. Fjädern 10 pressar således kolven 6 i riktning mot överdelen 1. Flänsen 9 begränsar också kolvens rörelse så att den inte pressas ut genom hålet om ex- empelvis överdelen skulle demonteras. Normalt befinner sig dock inte flänsen i kontakt med underdelen. Den del av 10 15 20 25 30 35 *S07 124 5 kolven som sträcker sig in i utrymmet 5 tjänstgör som en radiell transformator som genom lämpligt val av höjd och diameter anpassar impedansen hos de till portarna anslutna vågledarna till cirkulatorimpedansen. Galvanisk kontakt mellan kolven och underdelen 2 sker dels mellan kolven och hålet i underdelen, dels via fjädern 10 och locket 7.The piston 6 is provided with a flange 9 against which a spring 10 depends on. The spring is compressed by its other end supports against the cover 7. The spring 10 thus presses the piston 6 in direction towards the upper part 1. The flange 9 also limits the piston movement so that it is not forced out through the hole if for example, the upper part would be dismantled. Normally located however, the flange is not in contact with the lower part. The part of 10 15 20 25 30 35 * S07 124 5 the piston extending into the space 5 serves as one radial transformer which by appropriate choice of height and diameter adjusts the impedance of those connected to the ports the waveguides to the circulator impedance. Galvanic contact between the piston and the lower part 2 takes place partly between the piston and the hole in the lower part, partly via the spring 10 and the lid 7.

På kolvens ovansida finns en förhöjning 11. Denna för- höjning bestämmer med stor noggrannhet läget för en tunnväggig hylsa 12 genom att hylsans innerdiameter överensstämmer med förhöjningens diameter. Hylsan är tillverkat av ett förhållandevis elastiskt, dielektriskt material.At the top of the piston there is an elevation 11. This increase determines with great accuracy the position of one thin-walled sleeve 12 by the inner diameter of the sleeve corresponds to the diameter of the elevation. The sleeve is made of a relatively elastic, dielectric material.

Inuti hylsan är två cylinderformade, puckliknande ferrit- delar 13 och 14 placerade, separerade genom en likaledes cylinderformad dielektrisk puck 15. Hylsans längd skall därvid motsvara den sammanlagda höjden av förhöjningen 11, ferritpuckarna 13 och 14 och den dielektriska pucken 15.Inside the sleeve are two cylindrical, puck-like ferrite parts 13 and 14 placed, separated by a likewise cylindrical dielectric puck 15. The length of the sleeve shall corresponding to the total height of the elevation 11, the ferrite puck 13 and 14 and the dielectric puck 15.

I ett utrymme i överdelen 1 finns en magnet 16 som till- sammans med en i den ihåliga kolven 6 placerad magnet 17 åstadkommer ett magnetiskt flöde genom ferritpuckarna 13 och 14.In a space in the upper part 1 there is a magnet 16 which is together with a magnet 17 placed in the hollow piston 6 produces a magnetic flux through the ferrite pucks 13 and 14.

Genom anordningen enligt det ovan beskrivna utföringsexemp- let blir monteringen av cirkulatorkomponenterna precis och enkel att utföra. På kolvens 6 topp placeras hylsan 12 med puckarna 13, 14 och 15. Hylsan och/eller puckarna kan för att ytterligare underlätta monteringen limmas till kolvtop- pen. Kolven med hylsan förs genom hålrummet 8 in i cirkula- torn till dess att hylsans ovansida får kontakt med överdelen 1. Fjädern 10 placeras på kolven och pressas ihop genom att locket 7 monteras på underdelen 2. 10 15 20 25 30 35 507 124 6 Kolven pressar således puckarna mot överdelen varvid mekanisk, och därmed också god termisk kontakt, uppnås mellan överdel, puckar och kolv. Skulle på grund av ofördelaktig toleranssammanlagring hylsans 12 övre ända sträcka sig förbi ferritpucken 13, kommer hylsan, på grund av att det tillverkats av ett elastiskt dielektriskt material, genom fjäderkraften att deformeras något så att även i det mest ogynnsamma fallet ferritpucken får kontakt med överdelen 1. Vid motsatt toleransutfall kommer inte hylsans ända att nå fram till överdelen, men detta saknar ur funktionssynpunkt praktisk betydelse.By the device according to the embodiment described above the assembly of the circulator components becomes precise and easy to perform. On the top of the piston 6, the sleeve 12 is placed with the puck 13, 14 and 15. The sleeve and / or the puck can for to further facilitate assembly, glue to the piston top pen. The piston with the sleeve is passed through the cavity 8 into the circular tower until the top of the sleeve makes contact with upper part 1. The spring 10 is placed on the piston and compressed by mounting the cover 7 on the lower part 2. 10 15 20 25 30 35 507 124 6 The piston thus presses the pucks against the upper part, whereby mechanical, and thus also good thermal contact, is achieved between upper part, puck and piston. Should due disadvantageous tolerance interpolation of the upper end of the sleeve 12 extend past the ferrite puck 13, the sleeve will, due to because it is made of an elastic dielectric material, by the spring force to be deformed slightly so that even in the most unfavorable case the ferrite puck makes contact with upper part 1. In case of opposite tolerance outcome will not the end of the sleeve to reach the upper part, but this is missing from a functional point of view practical significance.

Vid temperaturvariationer kommer alla i cirkulatorn ingående komponenter att förändra sina dimensioner i förhållande till för respektive material gällande längd- utvidgningskoefficienter. Förändringar i den för cirkula- torns funktion kritiska kombinationen av ferritpuckar och dielektriska.puckar kommer dock att tas upp och kompenseras genom den fjäderbelastade kolvens 6 rörelse varigenom tryckkrafterna på puckarna kommer att vara stabil. Detta gör det möjligt att inom ett stort temperaturområde uppnå fullgod cirkulatorfunktion och att säkerställa att ferrit- puckarna inte utsätts för så stora påkänningar att de kan förstöras.In case of temperature variations, everyone comes into the circulator components to change their dimensions in in relation to the length applicable to each material coefficients of expansion. Changes in the circular tower function critical combination of ferrite pucks and dielectric.pucks will, however, be addressed and compensated by the movement of the spring-loaded piston 6 whereby the compressive forces on the pucks will be stable. This makes it possible to achieve within a large temperature range adequate circulator function and to ensure that ferrite the pucks are not subjected to as much stress as they can destroyed.

Genom uppfinningen kan för låg- och medeleffekter, inom temperaturområdet.-40°till +802 en inlänkningsdämpning för cirkulatorn på 0,5 dB och en isolation mellan portarna på typiskt 20 dB uppnås vid en relativ bandbredd på 10%.By the invention can for low and medium effects, within temperature range.-40 ° to +802 an inlet damping for the circulator of 0.5 dB and an insulation between the ports on typically 20 dB is achieved at a relative bandwidth of 10%.

Av figur 2 framgår en andra fördelaktig utföringsform av uppfinningen. I figuren har de delar, vars funktion eller utförande motsvarar de i den tidigare beskrivna cirkula- torn, åsatts samma referensnummer som i figur 1. 10 15 20 25 30 35 [507 124 7 Cirkulatorn enligt figur 2 skiljer sig i vissa avseenden från den tidigare beskrivna. Således är på överdelens 1 undersida anordnad en radiell transformator 18, försedd med en förhöjning 19, som utgör styrning för den tunnväggiga hylsan 12. I underdelen 2 har hålrummet 8 försetts med en gänga 20 varigenom ett gängat lock 21 kan skruvas in i hålrummet. På lockets insida är magneten 17, ett fjädrande element 22 och ett. rörligt element 23 placerade. Det fjädrande elementet 22 utgörs i detta utföringsexempel av ett fjädrande material, exempelvis gummi, medan det rörliga elementet 23 är utfört som en bricka eller platta, som med glidpassning kan röra sig i underdelens 2 centrumhål. Den del av brickan/plattan som sträcker sig in i utrymmet 5 tjänstgör också som en radiell transformator.Figure 2 shows a second advantageous embodiment of the invention. In the figure, they have parts whose function or design corresponds to those in the previously described tower, assigned the same reference number as in Figure 1. 10 15 20 25 30 35 [507 124 7 The circulator according to Figure 2 differs in some respects from the one previously described. Thus, on the upper part 1 underside arranged a radial transformer 18, provided with an elevation 19, which forms the guide for the thin-walled the sleeve 12. In the lower part 2 the cavity 8 has been provided with a thread 20 whereby a threaded lid 21 can be screwed into the cavity. On the inside of the lid is the magnet 17, a resilient elements 22 and one. movable element 23 placed. The the resilient element 22 in this exemplary embodiment consists of a resilient material, such as rubber, while the movable the element 23 is designed as a washer or plate, as with sliding fit can move in the 2 center holes of the lower part. The part of the washer / plate extending into the space 5 also serves as a radial transformer.

När locket 21 skruvas in i hålrummet 8 kommer således locket att, via magneten 17 och det fjädrande materialet 22, trycka brickan/plattan 23 mot de ferritiska och dielektriska puckarna på samma sätt som kolven 6 i den tidigare beskrivna cirkulatorn. Trycket kan härvid ställas in till önskat värde i beroende av hur långt locket 21 skruvas in i hålrummet 8. I det nu beskrivna utförandet av cirkulatorn kommer dimensionsförändringar på grund av temperaturvariationer att utjämnas genom att det fjädrande materialet 22 komprimeras/expanderar.Thus, when the lid 21 is screwed into the cavity 8 comes the lid that, via the magnet 17 and the resilient material 22, press the washer / plate 23 against the ferritic and the dielectric puck in the same way as the piston 6 in it previously described circulator. The pressure can be set in this case in to the desired value depending on how far the lid 21 screwed into the cavity 8. In the now described embodiment of the circulator will change dimensions due to temperature variations to be equalized by the resilient the material 22 is compressed / expanded.

Ovan har beskrivits ett par fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen. Andra utföringsformer är givetvis möjliga.A couple of advantageous embodiments of the invention. Other embodiments are of course possible.

Således kan de ferritiska och dielektriska materialen ha andra former än de nu beskrivna, exempelvis triangulära.Thus, the ferritic and dielectric materials may have shapes other than those now described, for example triangular.

Det samma gäller även de radiella transformatorerna. Be- roende på önskade elektriska egenskaper kan också för- delning och placering av de olika materialen varieras. I vissa tilllämpningar kan exempelvis de dielektriska materialen (puckarna) utgå. Den tunnväggiga hylsans form får därvid anpassas, men då hylsan primärt är avsedd att 10 15 5 0 7 1:24 8 hålla samman de olika ferritiska och dielektriska materia- len, kan den i vissa tillämpningar utgå eller ersättas med exempelvis limning. Fjädern, som i figur 1 ritats som en spiralfjäder, kan givetvis vara av annan typ (t ex fjädran- de bricka). Överdelens undersida kan, som. visats i figur 2, vara försedd med en radiell transformator, kompletterande den transformator som utgörs av det rörliga elementet. Över- delens transformator kan därvid vara fast eller utförd som ett rörligt element, som till utförande och/eller funktion motsvarar de ovan beskrivna.The same applies to the radial transformers. Ask- depending on the desired electrical properties can also division and placement of the different materials are varied. IN Some applications may include the dielectric ones the materials (pucks) are deleted. The shape of the thin-walled sleeve may then be adapted, but when the sleeve is primarily intended to 10 15 5 0 7 1:24 8 hold together the different ferritic and dielectric materials it may, in certain applications, be deleted or replaced by for example gluing. The spring, which in Figure 1 is drawn as one coil spring, can of course be of another type (e.g. the washer). The underside of the upper part can, as. shown in Figure 2, be equipped with a radial transformer, supplementing it transformer consisting of the moving element. Over- the transformer of the part can then be fixed or made as a movable element, as to design and / or function corresponds to those described above.

Uppfinningen är inte begränsad till ovan beskrivna exempel utan kan varieras inom ramen för de efterföljande patent- kraven.The invention is not limited to the examples described above but may be varied within the scope of the following the requirements.

Claims

10 15 20 25 30 1507 124 PATENT REQUIREMENTS

Circulator for frequencies within the microwave range and higher frequency ranges intended for use in systems with waveguides and in which phase shifting takes place by means of a ferrite material (13, 14) placed in a magnetic field placed between a first waveguide wall (1) and one in one, this opposite, second waveguide wall (2) arranged, movable element (6, 23), the movable element (6, 23) being pressed in the direction of the ferrite material by the action of a resilient element (10, 22), characterized in that the movable element (6, 23) facing the ferrite material is designed as a. radial transformer that adjusts the impedances of the waveguides to the impedance of the circulator.

Circulator according to Claim 1, characterized in that the ferrite material (13, 14) is surrounded by a sleeve (12) of a dielectric material, the position of the sleeve being determined by an elevation (11) of the movable element (6) adapted to the inner dimension of the sleeve. .

Circulator according to Claim 1, characterized in that the ferrite material (13, 14) is surrounded by a sleeve (12) of a dielectric material, the position of the sleeve being determined by an elevation (19) adapted to the inner dimension of the sleeve on the first waveguide wall (1). .

Circulator according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the resilient element (10) consists of a coil spring. 507 124 10

Circulator according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the movable element (6) is designed to contain a magnet (17).

Circulator according to one of the preceding claims, characterized in that a movable element is also arranged in the first waveguide wall (1).