DE1107303B - Nichtreziproker Wellenuebertrager fuer Wellenleiter von im wesentlichen transversalem elektromagnetischem Typ - Google Patents
Nichtreziproker Wellenuebertrager fuer Wellenleiter von im wesentlichen transversalem elektromagnetischem TypInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtreziproken Wellenübertrager.
Nichtreziproke Wellenübertrager sind bekannt. Die neueren und zugleich wirksamsten Übertrager dieser
Art verwenden magnetisierte Ferritelemente, die aüF geeignete Weise derart in einem wellenleitenden Gebilde
angebracht sind, daß sie die gewünschten nichtreziproken Eigenschaften ergeben. Die Funktion
dieser Vorrichtungen beruht auf der Eigenschaft, daß ein magnetisiertes Ferritelement elektromagnetische
Energie in einer Richtung hindurchläßt, in der Gegenrichtung jedoch abschwächt oder sogar absorbiert.
Dazu muß das Ferritelement innerhalb des wellenleitenden Gebildes an einer Stelle angebracht sein, an
der eine resultierende Komponente eines zirkulärpolarisierten hochfrequenten Magnetfeldes vom gleichen
Schwingungstyp vorhanden ist, wie er sich im Wellenleiter fortpflanzt.
Das zirkulär polarisierte hochfrequente Magnetfeld existiert in den meisten der bekannten nichtreziproken
Ferritanordnungen in dem gleichen Schwingungstyp wie die Energie, die sich bei Abwesenheit
des Ferritelements fortpflanzt. Man bringt dann den Ferrit so an, daß die resultierende Schwingung die
größte Komponente ihres zirkulär polarisierten Magnetfeldes gerade im Gebiet des magnetisierten Ferrits
hat. So wird beispielsweise das Ferritelement in einem Rechteckhohlleiter, der Energie in seinem
Grundwellenmodus fortpflanzt, an einer Stelle angeordnet, die sich auf halbem Weg zwischen der Längsachse
des Hohlleiters und einer seiner breiten Wände befindet. Obwohl diese Anordnung die meistgebräuchliche
ist, ist es unter gewissen Bedingungen dennoch möglich, eine nichtreziproke Wellenübertragung zu
erzielen, indem man den Ferrit an einer Stelle anordnet, wo das hochfrequente Magnetfeld linear polarisiert
ist. Wenn man einen so angeordneten Ferrit magnetisiert, dann bildet sich in diesem infolge des gyromagnetischen
Effekts eine kleine Komponente des benötigten zirkulär polarisierten Magnetfeldes aus.
Die nichtreziproken Wirkungen, die sich aus einer solchen Arbeitsweise ergeben, sind jedoch von
2. Ordnung und deshalb weniger ausgeprägt als bei der zuvor beschriebenen Anordnung.
Nichtreziproke Anordnungen, wie sie soeben beschrieben wurden, sind für ein Arbeiten bei den höheren
Mikrowellenfrequenzen geeignet. Will man solche Anordnungen jedoch für niedrigere Mikrowellenfrequenzen
oder für das Ultrakurzwellengebiet konstruieren, so werden sie außerordentlich groß. Da Koaxialleitungen
kleiner sind als Hohlleiter, sind sie für die Energieübertragung bei den erwähnten nied-Nichtreziproker
Wellenübertrager
für Wellenleiter von im wesentlichen
transversalem elektromagnetischem Typ
Anmelder:
Hughes Aircraft Company,
Culver City, Calif. (V. St. A.)
Culver City, Calif. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. G. Eichenberg
und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,
Düsseldorf 10, Cecilienallee 76
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. Juni i959
V. St. v. Amerika vom 8. Juni i959
Robert L. Fogel, Torrance, CaHf.,
und Herbert T. Suyematsu, Los Angeles, Calif.
und Herbert T. Suyematsu, Los Angeles, Calif.
(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden
sind als Erfinder genannt worden
rigeren Frequenzen besser geeignet als Hohlleiter. Will man aber Koaxialleiter für den Aufbau nichtreziproker Anordnungen verwenden, so muß man
einen neuen Weg zur Lösung des Problems rinden, weil das hochfrequente Magnetfeld des transversalen
elektromagnetischen Grundwellentyps (kurz des TEM-Grundwellentyps) linear polarisiert ist. Auch
hier kann man ohne weiteres nichtreziproke Effekte 2. Ordnung erhalten. Um jedoch die wirksameren
Effekte 1. Ordnung zu bekommen, scheint es richtiger zu sein, den einen oder anderen Weg aus einer Anzahl
weiterer möglicher Wege zu beschreiten.
Ein möglicher Weg, bei einem Koaxialleiter nichtreziproke Effekte 1. Ordnung zu erhalten, besteht
darin, daß man im Koaxialleiter die Oberwelle vom TE11-MOdUs fortpflanzt, die eine zirkulär polarisierte
Komponente ihres hochfrequenten Magnetfeldes hat. Um eine solche TE11-WeIIe mittels einer Koaxialleitung
gegebener Abmessungen fortzupflanzen, muß die benötigte Frequenz weit höher sein als die der
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TEM-Grundwelle für die gleiche Koaxialleitung. Umgekehrt
müssen bei vorgegebener Frequenz die Abmessungen der Leitung weit größer sein, wenn man
die Energie als TE11-WeIIe statt als TEM-Welle fortpflanzen
will. Die sich ergebenden Unterschiede in den Abmessungen sind derart groß, daß sich kein
Vorteil in den Abmessungen mehr ergibt, wenn man an Stelle von hohlen wellenleitenden Gebilden Koaxialleitungen
verwendet. Im übrigen hat Energie, die sich im TE11-MOdUs fortpflanzt, zufolge mechanischer
oder elektrischer Asymmetrien im Koaxialleiter, beispielsweise in Form von Biegungen oder Kupplungen,
die Tendenz, in die Grundwelle vom TEM-Modus umzuschlagen.
Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung nichtreziproker Effekte in Koaxialleitern besteht darin, daß
man der Leitung einen inhomogenen Querschnitt gibt, der die Fortpflanzung der TEM-Welle verhindert.
Der Grundwellenmodus für einen derart modifizierten Koaxialleiter besteht aus einer gemischten Welle, die
im allgemeinen sowohl den TE- als auch den TM-Modus enthält, wenn auch in einigen Sonderfällen die
Grundwelle nur vom TE- oder nur vom TM-Modus sein kann. Dieses Prinzips hat man sich in Koaxialleitern
bedient, bei denen man die Leiter zur Hälfte mit einem Material hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt
hat. Die Grenzbedingungen, die sich bei einer solchen Anordnung ergeben, erfordern die Existenz
longitudinaler Komponenten des hochfrequenten Magnetfeldes, die in Verbindung mit der zirkulären
Komponente des hochfrequenten Magnetfeldes die benötigte zirkuläre Polarisation an der die Luft und
das Dielektrikum scheidenden Grenzfläche ergeben. Bringt man nun längs dieser Grenzfläche Stäbe aus
Ferritmaterial an, so erhält man in Gegenwart eines statischen Magnetfeldes nichtreziproke Wellenleitung.
Verschiedene geometrische Anordnungen zum Ausfüllen der Koaxialleiter mit Dielektrikum im Zusammenhang
mit der jeweils zur Erzeugung nichtreziproker Wellenleitung geeigneten Anordnung der Ferritelemente
sind untersucht worden.
Bei dem zuletzt beschriebenen Typ von Koaxialleiter, also einem Gebilde, in dem die Inhomogenität
nichtzirkularsymmetrisch ist, kennt man die Zusammenhänge zwischen der Größe des zirkulär polarisierten
hochfrequenten Magnetfeldes und den charakteristischen Daten des Dielektrikums nicht genau, da
die exakten Lösungen der Wellengleichungen für diesen Fall noch nicht erhalten werden konnten.
Experimentelle und angenäherte theoretische Ergebnisse zeigen jedoch, daß die Größe des nichtreziproken
Effekts zunimmt, wenn der Wert der Dielektrizitätskonstante des zum Ausfüllen des Koaxialleiters
benutzten Dielektrikums ansteigt. Um diese Ergebnisse für eine Koaxialleitung mit inhomogenem Querschnitt
besser verständlich zu machen, sei angenommen, daß der Unterschied in den Fortpflanzungsgeschwindigkeiten
für die Wellen in den beiden verschiedenen Medien eine Verzerrung der Grundwelle
hervorruft. Wenn die Koaxialleitung vollständig mit einem der beiden Medien ausgefüllt ist, so pflanzt sich
eine TEM-Welle mit der Freiraumgeschwindigkeit für dieses Medium in der Koaxialleitung fort, und es entsteht
keine longitudinale Komponente des hochfrequenten Magnetfeldes. Macht man den Querschnitt
der Leitung inhomogen, so wird die Energie danach trachten, sich in jedem der beiden Medien mit der
Freiraumgeschwindigkeit für dieses Medium fortzupflanzen. Da sich die Energie jedoch über den ganzen
Querschnitt mit derselben Geschwindigkeit fortpflanzen muß, wird die resultierende verzerrte Welle (in
der Regel eine gemischte TE- plus TM-Welle) eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit haben, deren Wert
zwischen den Grenzwerten liegt, die sich aus den Freiraumgeschwindigkeiten für die beiden Einzelmedien
ergeben. Im vorliegenden Fall wird also die gemischte Welle eine Komponente haben, die aus
ίο einem zirkulär polarisierten hochfrequenten Magnetfeld
besteht. Es leuchtet deshalb ein, daß mit Zunahme des Verhältnisses zwischen den Fortpflanzungsgeschwindigkeiten
in den beiden Medien auch die Größe der Verzerrung der ursprünglichen Welle — und damit im vorliegenden Fall die Größe der
Komponente des zirkulär polarisierten hochfrequenten Magnetfeldes — ebenfalls zunimmt.
Man kann also, wie vorstehend beschrieben, nichtreziproke Wellenfortpflanzung erhalten, muß sich
jedoch darüber klar sein, daß bei dielektrischen Materialien die dielektrischen Verluste mit ansteigender
Dielektrizitätskonstante zunehmen. Die Folge ist, daß der dielektrische Verlust bei Verwendung von Materialien
mit einer Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 15 oder mehr die Funktion einer
nichtreziproken Anordnung, in der diese Materialien verwendet werden, zu beeinträchtigen beginnt. Daraus
folgt weiter, daß der Wirkungsgrad für die nichtreziproken Effekte bei Anordnungen mit dielektri-
scher Füllung durch das maximal mögliche Verhältnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten entscheidend
begrenzt wird, weil der Vergrößerung dieses Verhältnisses der gleichzeitig zunehmende dielektrische Verlust
hindernd im Wege steht.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die eben erwähnten Nachteile zu vermeiden. Bei einem nichtreziproken Wellenübertrager, bestehend aus einem
Wellenleiter, der im wesentlichen dem TEM-Typ entspricht, der eine Verzögerungsvorrichtung enthält, die
dazu dient, den Querschnitt des Wellenleiters teilweise derart zu modifizieren, daß sich in seinem
Innern zwei Gebiete mit verschiedenen Geschwindigkeiten der Energiefortpflanzung ergeben, wobei mindestens
ein Ferritstreifen vorgesehen ist, der längs der Begrenzung der beiden Gebiete verschiedener
Fortpflanzungsgeschwindigkeit angebracht ist, enthält erfindungsgemäß die Verzögerungsvorrichtung eine
Anzahl in einem Abstand voneinander quer zu dem Ferritstreifen angebrachter elektrisch leitender EIe-
So mente. Dadurch ergibt sich ein wirksamer, kompakter
und im Aufbau einfacher nichtreziproker Wellenübertrager ohne dielektrisches Material.
Die Zeichnung veranschaulicht zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung einer koaxialen Verzögerungsleitung mit
nichtreziproker Charakteristik und den Merkmalen der Erfindung,
Fig. 2 eine für die Leitung charakteristische Kurve, aus der die Arbeitsweise ersichtlich ist, und
Fig. 3 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Abschnitt 11 einer Koaxialleitung, der einen Innenleiter 12 und einen Außenleiter 13
enthält. Am Innenleiter 12 sind quer zur Längsachse eine Anzahl halbkreisförmiger leitender Scheiben 14
in untereinander ähnlicher Weise angebracht, die sich radial erstrecken und parallel zueinander und mit
einem Abstand voneinander liegen. Diese Scheiben 14 sind elektrisch mit dem Innenleiter 12 verbunden,
während sie vom Außenleiter 13 z. B. dadurch isoliert sind, daß sie von ihm einen geeigneten Abstand
haben. Mit der dargestellten Anordnung erhält man eine modifizierte Verzögerungsleitung, in der sich
die elektromagnetische Energie in einem gemischten Schwingungstyp fortpflanzt, der im allgemeinen aus
einer Kombination des TE- und des TM-Modus besteht.
Der Grund für die Fortpflanzung der genannten gemischten Welle ist in der Einleitung bereits erläutert
worden und leicht einzusehen, wenn man daran denkt, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in dem
scheibenerfüllten Halbraum der Leitung einen Wert hat, der verschieden ist von dem Wert der Fortpflanzungssgeschwindigkeit
für den nicht mit Scheiben angefüllten Raum. Da sich Energie in einem derartigen
Gebilde nur mit einem einzigen Wert der Fortpflanzungsgeschwindigkeit ausbreiten kann, hat
die tatsächliche Fortpflanzungsgeschwindigkeit einen Wert, der zwischen den beiden erwähnten Werten
liegt. Die durch das teilweise Beladen des Innenleiters mit Scheiben hervorgerufene Inhomogenität macht es
deshalb erforderlich, daß die resultierende Welle eine longitudinale Komponente des hochfrequenten Magnetfeldes
besitzt, die in Verbindung mit der zirkulären Komponente ein zirkulär polarisiertes hochfrequentes
Magnetfeld an oder in der Nähe der Grenze zwischen dem mit Scheiben erfüllten und dem nicht
mit Scheiben erfüllten Halbraum der Leitung ergibt.
Die Theorie der Arbeitsweise einer koaxialen Verzögerungsleitung, die mit auf dem Innenleiter angebrachten
Vollscheiben bestückt ist, ist der Fachwelt bekannt und läßt sich im Prinzip auch auf das in den
vorausgegangenen Abschnitten beschriebene, nur teilweise mit Scheiben ausgefüllte Gebilde mit geringfügigen
Abwandlungen anwenden. Eine derartige, teilweise mit Scheiben erfüllte Koaxialleitung ist hinsichtlich
ihrer Arbeitsweise reziprok, d. h., Wellen, die sich in der einen Richtung fortpflanzen, werden in
genau der gleiten Weise beeinflußt wie Wellen, die sich in der Gegenrichtung fortpflanzen.
Um nun dieser teilweise mit Scheiben angefüllten Koaxialleitung eine nichtreziproke Charakteristik zu
geben, werden zwei dünne, längliche Streifen 16 und 17 auf Ferritmaterial auf den radial verlaufenden
Kanten der Scheiben 14 angebracht, so daß sich diese Streifen 16 und 17 parallel zum Innenleiter 12 erstrecken,
wobei auf jeder Seite des Innenleiters einer der beiden Ferritstreifen verläuft. Bei einer derartigen
Anordnung befinden sich die Streifen 16 und 17 an der Grenze zwischen dem mit Scheiben erfüllten und
dem nicht mit Scheiben erfüllten Halbraum des Koaxialleiters, d. h. an der Stelle, wo das zirkulär polarisierte
hochfrequente Magnetfeld vom gemischten Schwingungstyp der sich im Koaxialleiter fortpflanzenden
Energie vorhanden ist. Ein regulierbares, durch die Pfeile 21 angedeutetes Magnetfeld H wird
auf übliche Weise erzeugt, und zwar so, daß es diametral durch die Koaxialleitung 11 und parallel zu
den Breitflächen der Streifen 16 und 17 verläuft.
Bei geeigneter Magnetisierung der Streifen 16 und 17 stehen die Elektronenspins innerhalb des Ferrits
und der Drehsinn des zirkulär polarisierten hochfrequenten Magnetfeldes nur für eine Richtung der
Energiefortpflanzung in der richtigen Beziehung zueinander, wodurch sich eine nichtreziproke differentielle
Phasenverschiebung und Abschwächung ergibt.
Ein 76 mm langes Stück einer modifizierten Verzögerungsleitung von dem oben beschriebenen Aufbau,
die einen Außendurchmesser von 16 mm hat und elektromagnetische Energie von 3000 Megahertz fortpflanzt,
arbeitet gemäß Fig. 2. Dort ist die differentielle Phasenverschiebung in Graden aufgetragen als
Funktion des angewandten statischen Magnetfeldes in
ίο Gauß. Wie man der Kurve 26 entnimmt, entspricht
der an sich kleinen Zunahme des Magnetfeldes von 0 auf 400 Gauß ein Bereich für die differentielle Phasenverschiebung
von 0 bis 150°. Ähnliche Arbeitsweise ergab bei einem 32 mm langen Stück einer solchen modifizierten koaxialen Verzögerungsleitung
eine differentielle Phasenverschiebung von 90 ±5° bei einem Verlust von 0,3 db. Mit dem beschriebenen
Gebilde wurde über 12% Bandbreite ein Stehwellenverhältnis von 1,1 und weniger erhalten, wenn ein in
der Zeichnung nicht dargestellter Anpassungstransformator an jedem Ende der Leitung angebracht wurde.
Die vorstehenden Ergebnisse zeigen die Brauchbarkeit des Gerätes nach der Erfindung als differentieller
Phasenschieber, der schon an sich viele Verwendungsmöglichkeiten in der Mikrowellentechnik hat.
Bei einer derartigen Vorrichtung ist das Verhältnis zwischen den Fortpflanzungsgeschwindigkeiten für
das mit Scheiben erfüllte und das nicht mit Scheiben erfüllte Gebiet von der Größenordnung 1:10. Daraus
folgt, daß man, um das gleiche Ergebnis in einem mit Dielektrikum erfüllten wellenleitenden Gebilde zu erhalten,
ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante der Größenordnung 100 verwenden müßte. Die Verluste,
die in einem Material von derart hoher Dielektrizitätskonstante entstehen, verbieten jedoch seine
Verwendung für den vorliegenden Zweck völlig. Bei einem gemäß der Erfindung aufgebauten Gebilde
werden diese Verluste dagegen vollständig vermieden. Daneben läßt sich die Vorrichtung bei Vergrößerung
des Magnetfeldes auf einen Wert, der gyromagnetische Resonanz in den Ferritstreifen 16 und 17 ergibt,
als Isolator verwenden, der ausgeprägt hohe Werte der Abschwächung für die eine Fortpflanzungsrichtung
und sehr kleine Abschwächung in der Gegenrichtung ergibt.
In Fig. 3 ist ein zweiter nichtreziproker Wellenübertrager 31 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
ist eine Anzahl von Halbscheiben 32 in radialer Richtung in elektrischem Kontakt mit dem Außenleiter 33
an diesem angebracht. Diese Scheiben liegen wiederum parallel zueinander und haben einen gewissen
Abstand voneinander. Sie erstrecken sich nach innen bis zum Innenleiter 34 hin, ohne ihn jedoch zu berühren.
Das sich ergebende Gebilde stellt ebenfalls eine mit einer Verzögerungsvorrichtung versehene
Koaxialleistung dar und arbeitet im Prinzip ebenso wie das in Fig. 1 dargestellte Gebilde. So ergeben hier
längliche und zu beiden Seiten des Innenleiters 34 und zu diesem parallel auf den radial verlaufenden
Kanten der Halbscheiben 32 angebrachte Ferritstreifen 36 und 37 eine nichtreziproke Übertragungscharakteristik,
wenn man sie auf geeignete Weise magnetisiert. Zur Erzeugung der gewünschten Magnetisierung
ist eine (nicht gezeichnete) Einrichtung üblicher Art zur Erzeugung eines veränderbaren statischen
Magnetfeldes außerhalb der Verzögerungsleitung angeordnet, das ein parallel zu den Breitseiten der Ferritstreifen
36 und 37 durch diese hindurchlaufendes
Magnetfeld H erzeugt, wie es in Fig. 3 durch die Pfeile 39 angedeutet ist.
Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform der Erfindung ist die gleiche wie die der Ausführungsform
nach Fig. 1. Es ergeben sich also bei verhältnismäßig kleinen Werten des aufgedrückten Magnetfeldes differentielle
Phasenverschiebungen für die sich in einer Richtung durch die Leitung fortpflanzende Energie.
Ebenfalls erhält man bei Vergrößerung des statischen
Magnetfeldes auf einen Wert, der zu gyromagnetischer Resonanz im Ferrit führt, ein nichtreziprokes
Dämpfungsverhalten.
Es sei noch hervorgehoben, daß bei den vorstehend beschriebenen nichtreziproken Wellenübertragern der
»Füllungsgrad« von 50%, wie er sich daraus ergibt, daß der Koaxialleiter mit halbkreisförmigen Scheiben
gefüllt ist, keine Begrenzung für die Anwendbarkeit des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips darstellt,
sondern daß andere geometrische Konfigurationen, die zu einem inhomogenen Querschnitt des
Wellenleiters führen, im Bereich der Anwendungsmöglichkeit der Erfindung liegen. Nebenbei sei erwähnt,
daß der Wellenleiter nicht unbedingt ein kreisförmiger Koaxialleiter sein muß, da sich die gleichen
Prinzipien auch auf andere Leiterformen anwenden lassen, bei denen der Grundwellentyp der Fortpflanzung
normalerweise der TEM-Modus ist. Dies gilt z. B. für eine rechteckige Koaxialleitung, eine Streifenleitung
oder eine Plattenleitung.
Claims (3)
1. Nichtreziproker Wellenübertrager, bestehend aus einem Wellenleiter von im wesentlichen transversalem
elektromagnetischem Typ, einer im Innern des Wellenleiters angeordneten Verzögerungsvorrichtung,
die den Querschnitt des Wellenleiters teilweise derart modifiziert, daß sich in ihm
zwei Gebiete mit verschiedener Geschwindigkeit der Energiefortpflanzung ergeben, wobei mindestens
ein Ferritstreifen längs einer Grenzlinie zwischen den beiden Gebieten angeordnet ist, da
durch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsvorrichtung aus einer Anzahl von leitenden Elementen
besteht, die in Abstand voneinander längs dem Ferritstreifen und quer zu diesem angeordnet
sind.
2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter vom koaxialen
Typ mit Innenleiter (12, 34) und Außenleiter (13, 33) ist und daß die leitenden Elemente die Form
halbkreisförmiger Scheiben (14, 32) haben, die mit einem der beiden Leiter (12, 33) verbunden
sind, während sie mit dem anderen Leiter (13,34) nicht in Berührung stehen.
3. Übertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden halbkreisförmigen
Scheiben (14) mit dem Innenleiter (12) verbunden sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
109 60S/315 5.61
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