SE518711C2 - Mikrovågscirkulator - Google Patents

Description

20 25 30 35 518 711 u o . ø u nu 2 För att förbättra prestandan hos cirkulatorer med avseende pà impedansmatchning, har olika matchnings- element gjorda av metall eller dielektriska material använts inom känd teknik. Dessa matchningselement gör tillverkningen av cirkulatorerna dyr och komplicerad, särskilt om en cirkulator kräver flera matchningselement.

Dessutom, pà grund av ofullkomligheter vid montering och toleranser hos innefattade komponenter, utnyttjar känd teknik trimning efter produktionen genom placering av ytterligare trimningselement i cirkulatorn. Detta gör naturligtvis tillverkningen av cirkulatorerna dyrare.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att mini- mera åtminstone en av ovannämnda nackdelar hos cirkula- torer enligt känd teknik, ett annat syfte är att till- handahàlla en cirkulator med förbättrad prestanda som också är billig att tillverka.

Dessa syften uppnås med en vàgledarcirkulator och ett förfarande för optimering av prestandan hos en vàgledarcirkulator med de ingresser och särdrag som definieras av de bifogade patentkraven.

Föreliggande uppfinning baseras på idén att genom att göra en vàgledare ansluten till mittensektionen trängre, kommer signalreflektioner att uppträda när denna vàgledare via mittensektionen mottager energi fràn en vàgledare som avger energi. Dessa signalreflektioner kommer destruktivt att interferera med läcksignaler som mottages av en annan vàgledare än den avsedda på grund av ofullkomligheter (vilka i sin tur beror pà tillverkningsfel och toleranser) hos cirkulatorn. Således kommer isolationen mellan den vàgledare via vilken energi leds från energikällan och denna en annan vàgledare, som inte är avsedd att vara en mottagande vàgledare, att avservärt förbättras.

När t.ex. koppling görs, i motsols riktning, av en vàgledare till en sändare, en vàgledare till en gemensam 10 15 20 25 30 35 518 711 3 antenn och en vàgledare till en mottagare, och när magnetisering görs av cirkulatorn för att uppnà ett flöde av energi i motsols riktning i cirkulatorn, kommer säledes föreliggande uppfinning att tillhandahålla hög isolation mellan sändare och mottagare vid sändning av energi från sändaren via antennen. Den höga isolationen uppnås genom destruktiv interferens i den mottagar- associerade vàgledaren mellan reflekterade signaler och läcksignaler, vilka reflekterade signaler mottages från en antennassocierad vàgledare som gjorts trängre och läcksignalerna från den sändarassocierade vàgledaren.

Om det är önskvärt kan naturligtvis föreliggande uppfinning också användas pà sådant sätt att den mottagarassocierade vàgledaren görs trängre, varigenom isolationen mellan mottagare och sändare förbättras när mottagaren mottager energi via antennen.

Allmänt tillhandahåller föreliggande uppfinning en cirkulator som förbättrar isolationen mellan en första och en andra port hos cirkulatorn när energi kopplas mellan den första porten och en tredje port. Simuleringar visar dessutom att cirkulatorn enligt föreliggande upp- finning uppnår detta för höga arbetsfrekvenser och över ett stort frekvensomràde.

Genom att konstruera cirkulatorn så att denna innefattar ett begränsningselement i en av cirkulatorvàgledarna, reduceras läcksignaler pä grund av ofullkomligheter hos cirkulatorn, varigenom isolationen mellan de vàgledare där ingen överföring är önskvärd förbättras. Begränsningselmentet är enkelt att tillverka och kan vara av samma material som vàgledaren. Således kan elementet gjutas i vàgledaren. Alternativt är elementet och vàgledaren av olika material. I det senare fallet ansluts elementet till vàgledaren pà ett lämpligt sätt, t.e.x. genom lödning.

Enligt en aspekt på uppfinningen optimeras prestandan hos cirkulatorn genom att introducera ett begränsningselement med vissa dimensioner pà en viss 10 15 20 25 30 35 518 711 u ~ - . nu 4 plats. Detta är en ytterligare bidragande orsak till att cirkulatorn enligt föreliggande uppfinning inte kräver någon trimning efter produktion.

Vid konstruktion och tillverkning av cirkulatorn enligt föreliggande uppfinning, krävs således inga impedansmatchningselement eller trimningselement.

Istället placeras ett begränsningselement i en av våg- ledarna. Totalt sett gör detta att tillverkningen av cirkulatorn blir enklare och billigare.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är ferrit- elementet förflyttat bort från mitten av mittensektionen i riktning mot begrånsningselementet. Simuleringar har överraskande visat att detta ytterligare förbättrar isoleringen mellan två givna vågledare. Alternativt, eller dessutom, medför även asymmetrisk formgivning av ferritelementet att isolationen mellan två givna vågledare förbättras. Med sådan optimering av cirkulatorn elimieras behovet av trimning efter produktion ytter- ligare.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer nu att beskrivas mer detaljerat med hänvisning till följande ritningar, i vilka: Fig. 1 visar en perspektivvy av en exemplifierande utföringsform av föreliggande uppfinning; och Fig. 2 visar en perspektivvy av utföringsformen i Fig. 1 med angivande av energiflödet; och Fig. 3 visar en graf över isolationen och över- föringen mellan olika vågledare i utföringsformen i Fig. 1.

Detaljerade beskrivning av en utföringsform av uppfinningen En vågledarcirkulator 1 i enlighet med en exempli- fierande utföringsform av uppfinningen visas i Fig. 1.

Den består av tre likvinkligt placerade vågledare 2, 3, 4 och en mittendel 5, i vilken ett ferritelement 6 är 10 15 20 25 30 35 518 711 - - - . Q ø n . n ; - n | . . n v - | Q oo 5 anordnat. En magnet är placerad på varje sida om nämnda element för magnetisering av ferriten. Dessa magneter visas inte i Fig. 1. Fackmannen inser att magnetiseringen kan utföras med en magnet. En omkastning av magnetfältet som appliceras på ferritelementet kommer att resultera i en omkastning av riktningen för cirkulationen.

I en av vågledarna 3, är ett begränsningselement 7 anordnat. Elementet har en höjd H som utsträcker sig vinkelrätt från den inre väggen på vilken det är place- rat. Det har också en längd L som utsträcker sig i våg- ledarens 3 längsgående riktning. Elementet 7 har en bredd som utsträcker sig från en av de inre väggarna till den motstående inre väggen. Begränsningselementet 7 är dess- utom placerat på ett avstånd D från ferritelementet.

Begränsningselementet är gjort av ett ledande material och är antingen gjutet i vågledaren eller monterat med hjälp av, t.ex., lödning.

Ferritelementet 6 är något förflyttat bort från mitten av mittendelen 5 i riktning mot begränsnings- elementet 7 för att ytterligare förbättra isolationen mellan vågledarna 2 och 4. Fackmannen kan utan större svårigheter experimentera med symmetrin hos ferrit- elementet och komma till slutsatsen att ett asymmetriskt format ferritelement enbart, eller tillsammans med för- flyttningen, som tidigare nämnts, också förbättrar nämnda isolation.

När cirkulation uppträder i motsols riktning kommer energi applicerad på vàgledare 2 att kopplas till våg- ledare 3 medan, idealt, vàgledare 4 är isolerad från vàgledare 2.

En vanlig tillämpning för treportscirkulatorer är att låta en sändare vara ansluten till vàgledare 2, en antenn till vàgledare 3 och en mottagare till vàgledare 4. Energiflödet hos en sådan tillämpning, eller någon annan tillämpning som utnyttjar cirkulatorn enligt före- liggande uppfinning, visas med hänvisning till Fig. 2. 10 15 20 25 30 35 518 711 - Q v u oo 6 I Fig. 2 appliceras energi 8 på vàgledare 2 från en sändare (inte visad). Huvuddelen av energin 8 kommer att kopplas som energi 9 till en antenn (inte visad) via vàgledare 3, d.v.s. riktningen för cirkulationen är i detta fall motsols. Pà grund av ofullkomligheter hos cirkulatorn kommer en del 10 av sändarens energi 8 som matas till cirkulatorn att kopplas till en mottagare (inte visad) genom vàgledare 8. Denna del 10 av energin 8 benämns som läcksignal.

Genom optimering av begränsningselementet 7, med avseende pà dess dimensioner och dess avstånd till ferritelementet 6, är det möjligt att skapa en lämplig reflektionssignal 11, sàsom anges i Fig. 2. Reflektions- signalen 1l uppträder när en liten del av energin 9 som träder in i vàgledare 2 reflekteras mot begränsningsele- mentet 7. Huvuddelen av energin 9 kommer således att matas till antennen via vàgledare 3, medan en mindre del av energin 9, d.v.s. reflektionssignalen 11, kommer att ledas i riktning mot vàgledare 4. Energiförlusten pà grund av denna reflektion är obetydlig med hänsyn till den resulterande energi som kommer att sändas av anten- nen. Reflektionssignalen 11 kommer destruktivt att inter- ferera med läcksignalen 10. Eftersom begränsningselemen- tet 7 är optimerat pà sådant sätt att mängden energi i reflektionssignalen och i läcksignalen 11 är överens- stämmande, och dessutom i motfas, kommer de två signa- lerna 10 och 11 att släcka ut varandra, eller, förorsaka att läcksignalen 10 åtminstone reduceras med hjälp av destruktiv interferens med reflektionssignal 11.

Dimensionerna och placeringen för begränsnings- elementet 7 förbereds i flera steg. Först dimensioneras mittendelen och dess ferritelement 6 för en viss arbets- mod och arbetsfrekvens hos cirkulatorn. Med utnyttjande av datorsimuleringar, d.v.s. fältsimulatorer eller EM-CAD (ElectroMagnetic Computer Aided Design) görs sedan juste- ringar och optimering av prestandan. 10 15 20 25 518 711 u | u a av 7 Företrädesvis moduleras begränsningselementet som en transmissionsledning inuti vågledaren, vilken trans- missionsledning har en viss längd, impedans och avstånd från ferritelementet 6. Åtminstone en, men företrädesvis alla, av dessa tre parametrar varieras med hjälp av en kretssimulator till dess att läcksignalen 10 har släckts ut eller reducerats så mycket som möjligt. Detta kommer att resultera i en viss uppsättning parametrar för trans- missionsledningen. Baserat på denna uppsättning av para- metrar görs ett preliminärt estimat för längden L, höjden H och placeringen D för begränsningselementet 7 inom våg- ledaren. Med hjälp av en fältsimulator korrigeras formen för begränsningselementet så att reflektionen från begränsningselementet motsvarar reflektionen från trans- missionsledningen.

Svepfrekvenssvaret för utföringsformen i Fig. 1 och 2 visas i Fig. 3. Isolationen mäts mellan vågledarna 2 och 4. Fig. 2 visar också överföring mellan vågledare 2 och 3 såväl som reflektionen 11 resulterande från begränsningselementet 7. Det ses att isolationen är 20 dB över ett frekvensomràde på 74,8 till 80,5 GHz. Således erhålls en kommersiellt acceptabel isolering mellan våg- ledarna 2 och 4 vid en hög arbetsfrekvens och inom ett brett frekvensband. Värdena för arbetsfrekvensen och frekvensbandet utgör båda avsevärda förbättringar vid jämförelse med cirkulatorer enligt känd teknik.

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 8 PATENTKRAV

1. Vàgledarcirkulator innefattande åtminstone tre vàgledare, en mittendel i vilken vàgledarna är kors- kopplade, ett ferritelement anordnat i nämnda mittendel och organ för magnetisering av nämnda ferritelement, k ä n n e t e c k n a d av att en av vàgledarna har åtminstone ett begränsningselement i dess inre, vilket begränsningselement åtminstone huvudsakligen utsträcker sig mellan två motstàende inre väggar hos vágledaren, och vilket begränsningselement är anordnat att reducera läcksignaler som uppstår till följd av ofullkomligheter hos cirkulatorn.

2. Vàgledarcirkulator enligt krav 1, varvid nämnda begränsningselement är placerat på en första inre vägg hos vágledaren, vilket begränsningselement har en höjd som utsträcker sig vinkelrätt från den första inre väggen, en längd som utsträcker sig i vàgledarens längs- gående riktning, och en bredd som utsträcker sig vinkel- rätt mot vàgledarens längsgående riktning och åtminstone huvudsakligen från en andra inre vägg till en tredje inre vägg, vilka båda andra och inre väggar är angränsande till den första inre väggen.

3. Vàgledarcirkulator enligt krav l eller 2, varvid ferritelementet är förflyttat från mitten av mittendelen i riktning mot begränsningselementet.

4. Vàgledarcirkulator enligt något av kraven 1 - 3, varvid ferritelementet är asymmetriskt format.

5. Förfarande för optimering av prestandan hos en Vàgledarcirkulator, vilken cirkulator innefattar åtminstone tre vàgledare, en mittendel i vilken våg- ledarna är korskopplade, ett ferritelement anordnat i nämnda mittendel och organ för magnetisering av nämnda 10 15 20 25 30 35 518 711 9 ferritelement, k ä n n e t e c k n a t av att för- farandet innefattar stegen: att föra in ett begränsningselement i det inre av en av nämnda vägledare, vilket begränsningselement har vissa dimensioner och viss placering, vilka dimensioner inne- fattar en bredd som åtminstone huvudsakligen utsträcker sig mellan två motstàende inre väggar hos vàgledaren; och att bestämma nämnda dimensioner och nämnda placering baserat på ett reduceringsmàtt som uppnås med avseende på en läcksignal inom cirkulatorn.

6. Förfarande enligt krav 5, varvid nämnda steg att föra in nämnda begränsningselement innefattar placering av begränsningselementet på en första inre vägg hos våg- ledaren, varvid nämnda dimensioner innefattar en höjd som utsträcker sig vinkelrätt frän den första inre väggen, en längd som utsträcker sig i vàgledarens längsgående rikt- ning, och en bredd som utsträcker sig vinkelrätt mot våg- ledarens längsgående riktning och åtminstone huvudsak- ligen fràn en andra inre vägg till en tredje inre vägg, vilka båda andra och tredje inre väggar är angränsande till den första inre väggen.

7. Förfarande enligt krav 5 eller 6, varvid nämnda bestämningssteg innefattar: att modellera begränsningselementet som en trans- missionsledning, vilken transmissonsledning har tre para- metrar i form av en längd, en impedans och ett avstånd till ferritelementet; att variera åtminstone en av transmissionsledningens parametrar till dess läcksignalen inom cirkulatorn reduceras; och att bestämma nämnda dimensioner och nämnda placering för nämnda begränsningselement baserat på resultatet från nämnda varieringssteg. nunnan 10 518 711 10

8. Förfarande enligt något av kraven 5 - 7, varvid nämnda förfarande innefattar att förflytta nämnda ferrit- element bort från mitten av mittensektionen i riktning mot begränsningselementet, varvid placeringen av ferrit- elementet bestäms genom att variera avståndet mellan ferritelementet och nämnda placering av nämnda begräns- ningselement till dess nämnda läcksignal ytterligare reduceras.

9. Förfarande enligt något av kraven 5 - 8, varvid nämnda förfarande innefattar steget att föra in ett asymmetriskt format ferritelement, varigenom läcksignal ytterligare reduceras.