SE507124C2 - Cirkulator för frekvenser inom mikrovågsområdet och högre frekvensområden - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ovannämnda syfte uppnås genom en cirkulator enligt före- liggande uppfinning, vars kännetecken framgår av efter- följande patentkrav 1.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar ett snitt genom en cirkulator enligt uppfinningen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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%.

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.

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.

Ovan har beskrivits ett par fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen. Andra utföringsformer är givetvis möjliga.

Således kan de ferritiska och dielektriska materialen ha andra former än de nu beskrivna, exempelvis triangulära.

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.

Uppfinningen är inte begränsad till ovan beskrivna exempel utan kan varieras inom ramen för de efterföljande patent- kraven.

Claims (6)

10 15 20 25 30 1507 124 PATENTKRAV

1. Cirkulator för frekvenser inom mikrovågsområdet och högre frekvensområden avsedd för användning i system med vågledare och i vilken fasvridning sker med hjälp av ett i ett magnetfält placerat ferrítmaterial (13, 14) placerat mellan en första vågledarvägg (1) och ett i en, denna motstående, andra vågledarvägg (2) anordnat, rörligt element (6, 23), varvid det rörliga elementet (6, 23) trycks i riktning mot ferrítmaterialet genom inverkan av ett fjädrande element (10, 22), kännetecknat därav, att det rörliga elementets (6, 23) mot ferrítmaterialet vända ända är utformad som en. radíell transformator som anpassar vågledarnas impedanser till cirkulatorns impedans.

2. Cirkulator enligt patentkrav 1, kännetecknad därav, att ferrítmaterialet (13, 14) omges av en hylsa (12) av ett dielektriskt material, varvid hylsans läge bestäms av en till hylsans innermått anpassad förhöjning (11) på det rörliga elementet (6).

3. Cirkulator enligt patentkraven 1, kännetecknad därav, att ferrítmaterialet (13, 14) omges av en hylsa (12) av ett dielektriskt material, varvid hylsans läge bestäms av en till hylsans innermått anpassad förhöjning (19) på den första vågledarväggen (1).

4. Cirkulator enligt något av patentkrav 1-3, kännetecknad därav, att det fjädrande elementet (10) utgörs av en spiralfjäder. 507 124 10

5. Cirkulator enligt något av patentkrav 1-4, kännetecknad därav, att det rörliga elementet (6) är utformat att innehålla en magnet (17).

6. Cirkulator enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad därav, att ett rörligt element även är anordnat i den första vågledarväggen (1).