DE1591427B1 - Zirkulator und verfahren zum herstellen eines zirkulators - Google Patents
Zirkulator und verfahren zum herstellen eines zirkulatorsInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Zirkulator mit einer Mehrzahl von Übertraglingsleitungen, die sich
von einer Stelle, an der sie zusammengekoppelt sind, in einer gemeinsamen Ebene radial nach außen
erstrecken und jeweils einen schmalen streifen!örmigen
Leiter und einen Leiter größerer Breite aufweisen, der gegenüber dem schmalen Leiter einen einzigen
ebenen Masseleiter für die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle entlang der Übertragungsleitung
darstellt, wobei die schmalen Leiter parallel zu den breiteren Leitern und in dichtem Abstand zu ihnen
verlaufen, und mit einem vollständig aus einem dielektrischen magnetischen Isoliermaterial mit hoher
Dielektrizitätskonstante und gyromagnetischen Resonanzeigenschaften
bestehenden Körper, der zwischen den schmalen und breiten Leitern angeordnet ist.
Unter dem hier benutzten Ausdruck »Zirkulator« ist ein Hochfrequenz-Bauteil verstanden, durch welches
eine elektromagnetische Eingangsleitung in nicht umkehrbarer Weise hindurchgeleitet wird und welches
nach Art eines Drehkreuzes mit um seinen Umfang verteilten Einlassen arbeitet. Beispielsweise tritt im
Falle eines Zirkulators mit drei Anschlüssen die in einem Anschluß eintretende Energie in einem zweiten
Anschluß aus, während in den zweiten Anschluß eintretende Energie am dritten Anschluß austritt.
Die Energie kreist dabei immer in der gleichen Richtung durch den Zirkulator.
Zirkulatoren werden heute in großem Umfang für Radarduplexer, Trennschaltungen, Schalter und für
andere nicht reziproke Verbindungsbauteile für Übertragungsleitungen
verwendet. Die nicht reziproke Eigenschaft eines Zirkulators ist durch ein nichtreziprokes Element bestimmt, das an der Verbindungsstelle
mehrerer Übertraglingsleitungen vorgesehen ist, welche die Anschlüsse des Zirkulators bilden.
Im allgemeinen besteht dieses nichtreziproke Element aus einem magnetischen Isoliermaterial, wie einem
Ferrit oder einem Eisenoxyd, das an der Verbindungsstelle der Übertragungsleitungen angeordnet und
durch ein senkrecht zur Zirkulationsebene gerichtetes magnetisches Feld magnetisch vorgespannt wird.
Die grundlegenden Betriebsprinzipien eines Zirkulators mit nichtreziproken Elementen ist verschiedentlich
in der Literatur beschrieben, beispielsweise in dem Buch »Microwave Ferrites and Ferromagnetics«
von B. Lax und K.J. Button, McGraw-Hill, 1962, S. 517 bis 539 und 609 bis 630. Die relativ
großen Abmessungen und das Gewicht der bisher zur Verfügung stehenden Zirkulatoren sind bei
ihrer Anwendung immer problematisch gewesen. Es sind zwar zahlreiche Veibesserungen vorgeschlagen
worden, aber dennoch besteht ein starkes Bedürfnis nach außerordentlich kleinen und leichten Ziikulatoren.
Seit der Einführung der Mikroelektronik und dem gleichzeitigen Bedürfnis nach Hochfrequenzzirkulatoren,
die sich in integrierte Schaltungen einbeziehen lassen, ist dieser Mangel noch krasser geworden.
Die Nachteile der bekannten Zirkulatoren beruhen zum Teil darauf, daß sie eine Doppelleitermasseanordnung
mit zwei getrennten Isolierkörpern aufweisen, zwischen denen sich die schmalen Übertragungsleiter
befinden. Der Abstand zwischen den (breiten) Masseleitern und den schmalen Übertragungsleitern
wird durch gesonderte Abstandhalter am Umfang des Zirkulators hergestellt. Ein typischer
Zirkulator dieser Art ist in der USA.-Patentschrift 39 oq3 24 beschrieben. In dieser Patentschrift findet
sich der Hinweis, daß es auch möglich ist, einen Isolierkörper zwischen nur einem einzigen Masseleiter
und den schmalen Übertragungsleitern anzuordnen. Dies hatte aber bisher den Nachteil, daß man
mit unerwünschten Abstrahlungseffekten auf Grund von Diskontinuitäten der einzelnen Übertragungsleiter rechnen mußte, die eine elektromagnetische
Kopplung mit anderen Schaltungskomponenten zur Folge haben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen dünnen, kompakten, leichten und mit geringem Aufwand
herstellbaren Breitbandzirkulator zu schaffen, der ohne Schwierigkeiten in mikroelektrische Schaltungen,
namentlich in integrierte Mikrowellenschaltungen eingebaut werden kann, und bei dem unerwünschte
Abstrahlungseffekte vermieden sind.
Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Zikulator
der eingangs angegebenen Art der Isolierkörper ein Träger für die Leiter ist, der den gesamten Bereich
zwischen dem auf seine eine Oberfläche aufgebrachten breiten Masseleiter und den auf seine andere Oberfläche
aufgebrachten schmalen Leitern einnimmt, und daß der Abstand und das dielektrische Material so
ausgewählt ist, daß nahezu das gesamte Feld der elektromagnetischen Welle den Raum zwischen einander
gegenüberliegenden Oberflächen der schmalen und der breiten Leiter ausfüllt und eine Abstrahlung
von den Übertragungsleitungen nach außen minimal gehalten wird.
Vorzugsweise bilden die Stelle, an der die Übertragungsleitungen zusammengekoppelt sind, und der
benachbarte Teil des Masseleiters einen Hohlraum, der die elektromagnetische Energie auf diesen Bereich
begrenzt.
Ein besonders einfaches und wirtschaftlich günstiges Verfahren zum Herstellen eines Zirkulators gemäß
der Erfindung besteht darin, daß auf die eine Hauptfiäche des scheibenförmigen Trägers eine metallische
leitende Schicht aufgebracht wird, wodurch der Masseleiter gebildet wird, und daß auf die entgegengesetzte
Hauptfläche des Trägers eine andere metallische leitende Schicht in einem Muster aufgebracht
wird, welches die schmalen Leiter und deren Kopplungsstelle bildet.
Der ebene Masseleiter wird dabei wesentlich größer als der schmale Leiter gemacht, so daß die elektromagnetischen
Wellen sich etwa in der Form von TEM-Wellen zwischen ihnen ausbreiten. Der Abstand
zwischen den Leitern einer Übertragungsleitung wird genügend klein und die Dielektrizitätskonstante des
Abstandsmaterials genügend groß gemacht, so daß sich die elektromagnetischen Felder in der Hauptsache
zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Leiter einer Leitung ausbreiten und außerhalb
dieser Leitungen keine nennenswerte Abstrahlung auftritt. Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß
nur ein einziges Abstandsstück oder Substrat aus dem magnetischen Isoliermaterial zwischen der Verbindungsstelle
der schmalen Leiter der entsprechenden Leitungen und den größeren oder ebenen Leitern dieser
Leitungen angeordnet ist. In der Praxis können die größeren oder ebenen Leiter der entsprechenden
Leitungen als ein zusammenhängendes einziges ebenes Lederstück oder als Grundfläche für den Zirkulator
ausgebildet sein. Das einzige Abstandsstück oder der Tiäger magnetischen Isoliermaterials dient der Kopplung
der Energie der elektromagnetischen Wellen in nichtreziproker Weise nur zu einer anderen der
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leitungen, wenn das Magnetmaterial durch ein Bei den bisher üblichen, streifenförmige Über-
nagnetisches Feld geeignet vorgespannt wird, welches tragungsleitungen verwendenden Zirkulatoren ist eine
iarallel zu dem elektrischen Feld der als TEM-Wellen Mehrzahl schmaler Mittelleiter vorgesehen, die sich
;ich längs einer der Leitungen ausbreitenden elektro- radial von einem gemeinsamen Punkt und einer Grundnagnetischen
Wellen verläuft. Der so aufgebaute mit 5 fläche auf jeder Seite des Mittelleiters erstrecken, so
;iner einzigen Grundplatte versehene Breitband- daß die Diskontinuitäten der Zirkulator-Streifen-
drkulator ist klein, leicht und einfach herzustellen Übertragungsleitungen geometrisch gegenüber den
jnd eignet sich besonders gut für die Verwendung bei oberen und unteren Leitungsabschnitten abgeglichen
integrierten oder anderen mikroelektronischen Schal- sind, so daß Abstrahlungen unterdrückt werden. Diese
tungen. Es zeigt io bekannten Zirkulatoren verwenden Scheiben eines
F i g. 1 einen Querschnitt durch eine streifenförmige magnetischen Isoliermaterials, das innerhalb einer
Übertragungsleitung, Mehrzahl dielektrischer Träger montiert ist und damit
F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Zirkulator einen schwierig herzustellenden Aufbau darstellt,
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und Bei dem erfindungsgemäßen Zirkulator ist dagegen
F i g. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der 15 der Abstand zwischen den schmalen Streifenleitern 25,
F i g. 2. 26 und 27, der Scheibe 29 und dem einzigen ebenen
In F i g. 1 ist eine streifenförmige Übertragungs- Leiter 33 so klein (kleiner als die halbe Wellenlänge
leitung dargestellt, auf welcher sich elektromagnetische einer sich im dielektrischen Medium ausbreitenden
Wellen etwa als TEM-Wellen ausbreiten und die einen TEM-Welle), daß außerhalb der Leitungen nur sehr
schmalen Leiter 10 und einen einzigen ebenen Grund- 20 wenig Strahlung auftritt. Dadurch, daß dieser Abstand
plattenleiter 11 aufweist, zwischen denen sich eine so schmal gemacht wird und ein Material relativ
Schicht 13 aus dielektrischem Material befindet. Das großer Dielektrizitätskonstante für den einzigen
leitende Material, welches die Leiter 10 und 11 bildet, Träger 30 (Dielektrizitätskonstante beispielsweise 9,4)
kann in Foim dünner Schichten auf das dielektrische zwischen den Leitern 25, 26, 27, der Scheibe 29 und
Material 13 aufgebracht sein. Das leitende Material 25 dem Leiter 33 verwendet wird, werden die elektro-
kann auf bestimmten Oberflächenteilen des Dielek- magnetischen Felder auch im wesentlichen zwischen
trikums 13 nach bei gedruckten Schaltungen bekannten den einander gegenüberliegenden Oberflächen (zwi-
Verfahren chemisch abgelagert oder durch eine sehen der Scheibe 29 und der gegenüberliegenden
Schablone aufgesprüht oder aufgestäubt werden. Der Oberfläche des Leiters 33 und zwischen den schmalen
Masseleiter 11 soll vorzugsweise zwei bis dreimal so 30 Leitern 25, 26 und 27 und der gegenüberliegenden
breit wie der schmale Leiter 10 sein, obwohl eine Fläche des Leiters 33) geführt. Die Möglichkeit einer
größere Breite noch niedrigere Verluste ergibt. Die Abstrahlung in Folge von Diskontinuitäten ist dabei
Dicke der Übertragungsleitung und die Dielektrizi- stark verringert. Infolge der relativ hohen Dielektri-
tätskonstante sollen so gewählt sein, daß eine Ab- zitätskonstante kann ferner die Gesamtgröße des
strahlung von der Leitung nicht auftritt. 35 Zirkulator 20 klein gehalten werden. Da die offenen
F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen stern- Seiten des Zirkulators sehr dünn sind, sind die An-
förmigen Zirkulator 20 mit drei Anschlüssen gemäß passungsverhältnisse an den freien Raum an den
einer Ausführungsform der Erfindung unter Ver- offenen Seiten sehr schlecht.
Wendung der an Hand von F i g. 1 dargestellten Form Zur Vervollständigung der Konstruktion eines
der Übertragungsleitung. Der Zirkulator 20 enthält 40 nichtreziproken Verbindungszirkulators, wie ihn
an einem ersten Anschluß 21, einem zweiten Anschluß F i g. 1 darstellt, wird ein magnetischer Isolator und
22 und einem dritten Anschluß 23 einen Koaxial- ein magnetisches Feld benötigt, das parallel zur
koppler. Schmale Leiter 25, 26 und 27, die den an Richtung des elektrischen Feldes einer innerhalb der
Hand von F i g. 1 beschriebenen Leitern 10 gleichen, Leitungen sich ausbreitenden TEM-Welle verläuft,
erstrecken sich radial von einem gemeinsamen Punkt 45 Das magnetische Isoliermaterial kann beispielsweise
nach außen, an welchem eine dünne Kupferscheibe 29 Eisen und Aluminiumoxyd, Ferrit oder anderes
angeordnet ist. Die schmalen Leiter 25, 26 und 27 Magnetmaterial sein. Die Stärke des magnetischen
sind an die entsprechenden Mittelleiter der Koaxial- Gleichfeldes und seine Richtung sind so gewählt, daß
koppler an den Anschlüssen 21,22 und 23 angekoppelt die Zirkulation der elektromagnetischen Energie in
und ragen unter einen Winkel von jeweils 120° von 5° der für den interessierenden Frequenzbereich gewünsch-
der Scheibe 29 nach außen und bilden auf diese Weise ten Richtung vonstatten geht.
einen symmetrischen sternförmigen Zirkulator mit F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch den erfindrei
Anschlüssen. Die Leiter 25, 26 und 27 können dungsgemäßen sehr einfachen, relativ preiswerten und
dünne Kupferstreifen sein und sind an der Oberseite leicht herzustellenden Breitbandzirkulator. Die Figur
eines einzigen Abstandsstückes oder Trägers 30 aus 55 läßt die schmalen Leiter 26 und 27 erkennen, die auf der
magnetischem Isoliermaterial befestigt. Die Kupfer- Oberseite eines einzigen flachen magnetischen Isoscheibe
29, mit der die schmalen Leiter 25, 26 und 27 lationsmaterials 30, ein Ferrit oder Granat, befestigt
verbunden sind, ist zentriert und ebenfalls auf der sind. Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform
gleichen Oberfläche des Trägers 30 befestigt. Eine sind die Leiter auf den Garnetträger 30 aufgedampft,
dünne Kupfergrundplatte 33, die nur in F i g. 3 zu 60 Die schmalen Leiter sind mit einer leitenden Scheibe 29
sehen ist, ist an der Unterseite des magnetischen verbunden, die auf der gleichen Oberfläche des
Isoliermaterialträgers 30, also auf der den schmalen Trägers 30 aufgedampft und zentriert ist, ebenso wie
Leitern 25, 26 und 27 gegenüberliegenden Seite die schmalen Leitungen 25, 26 und 27. Auf der
befestigt. Zur Ausbildung von Leitern auf dem gegenüberliegenden Unterseite des Magnetmaterials 30
Träger zur Erzeugung der schmalen Leiter, der 65 ist ein Grundplattenleiter 33 aufgedampft. Auf diese
Scheibe und des Grundplattenleiters lassen sich Weise befindet sich ein einziges flaches Stück magnetizahlreiche
Techniken anwenden, beispielsweise können sehen Isoliermaterials zwischen den leitenden Materiadiese
Leiter aufgeklebt oder aufgedampft werden. lien und hält diese im Abstand, so daß ein einfacher
BAD
leicht herzustellender und relativ preiswerter Breitbandzirkulator
gebildet wird, der sich leicht bei Mikroschaltungen verwenden läßt. Bei dieser Ausführungsform ist die Kupferscheibe 29 so angeordnet, daß ein
zugeführtes elektromagnetisches Hochfrequenzfeld im Bereich der Kupferscheibe 29 lokalisiert wird. Dieser
schmale Bereich wirkt wie ein Hohlraum, der die elektromagnetische Energie der TEM-WeIIe auf die
Umgebung der Kupferscheibe 29 und das dielektrische Medium 30 begrenzt.
Beim Betrieb der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform
werden Koaxialkabel an die Anschlüsse 21, 22 und 23 angekoppelt. Der einzige flache
magnetische Isoliermaterialträger 30 wird durch ein äußeres magnetisches Feld in Richtung des Pfeiles 41
in dem schmalen Bereich der Kupferscheibe 29 und der Grundplatte 33 von einer für Resonanzerscheinungen
nicht ausreichenden Stärke vorgespannt wird. Dabei tritt die nichtreziproke Wirkung ein, infolge deren
am Anschluß 21 zugeführte elektrische Energie am Anschluß 22 austritt. Am Anschluß 22 zugeführte
Energie einer TEM-Welle tritt nur am Anschluß 23 aus usw. Die Zirkulationsrichtung kann durch Umkehr
der Richtung des magnetischen Feldes umgedreht werden. Für eine Signalfrequenz von 7,9 bis
9,05 GHz ist eine Trennung von mehr als 20 dB bei einer Übertragungsdämpfung von weniger als 0,5 dB
über die gesamte Bandbreite unter den folgenden Betriebsbedingungen und Konstruktionsmaßen erzielt
worden:
Magnetischer Isoliermaterialträger 30 0,58 mm Granat
Schmale Leiter 25, 26, 27 Kupfer von 3,16 mm
Länge und 0,625 mm Breite
Scheibe 29 Kupfer von 5,8 mm
Durchmesser
Magnet 39 Durchmesser 7,5 mm,
Länge 3,75 mm,
Material Index 6
Material Index 6
Im Abstand von 0,125 mm vom Träger 30 war ein Permanentmagnet angeordnet, welcher auf der Oberseite
der Magnetfläche ein magnetisches Gleichfeld von etwa 1500 Oersted erzeugte. Die Leiter 25, 26, 27,
29 und 33 wurden in Form einer 0,0125 mm starken Kupferschicht auf dem Träger 30 aufgedampft.
Der Permanentmagnet kann für die magnetische Vorspannung des Materials oberhalb oder unterhalb
des Trägers 30 placiert werden. Nach der Erfindung kann dieses Magnetfeld auf irgendeine der bekannten
Arten, etwa durch eine Magnetspule, aufgebracht werden. Beispielsweise kann als Alternative zu einem
Permanentmagnet ein Draht (Spule) der eine Schleife bildet, in den Träger 30 zwischen die Scheibe 29 und
die Grundplatte 33 eingebettet werden.
Claims (7)
1. Zirkulator mit einer Mehrzahl von Übertragungsleitungen, die sich von einer Stelle, an der
sie zusammengekoppelt sind, .in einer gemein-
60 samen Ebene radial nach außen erstrecken und jeweils einen schmalen streifenförmigen Leiter und
einen Leiter größerer Breite aufweisen, der gegenüber dem schmalen Leiter einen einzigen ebenen
Masseleiter für die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle entlang der Übertragungsleitung
darstellt, wobei die schmalen Leiter parallel zu den breiteren Leitern und in dichtem Abstand
zu ihnen verlaufen, und mit einem vollständig aus einem dielektrischen magnetischen Isoliermaterial
mit hoher Dielektrizitätskonstante und gyromagnetischen Resonanzeigenschaften bestehenden Körper,
der zwischen den schmalen und breiten Leitern angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolierkörper (30) ein Träger für die Leiter ist, der den gesamten Bereich zwischen dem
auf seine eine Oberfläche aufgebrachten breiten Masseleiter (33) und den auf seine andere Oberfläche
aufgebrachten schmalen Leitern einnimmt, und daß der Abstand und das dielektrische Material
so ausgewählt ist, daß nahezu das gesamte Feld der elektromagnetischen Welle den Raum zwischen
einander gegenüberliegenden Oberflächen der schmalen und der breiten Leiter (25,26,27 bzw. 33)
ausfüllt und eine Abstrahlung von den Übertragungsleitungen nach außen minimal gehalten
wird.
2. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (30) ein einziges flaches
Ferritstück ist.
3. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (30) ein einziges flaches
Stück Granat ist.
4. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Seite des Trägers (30) eine
dünne Scheibe (29) aus leitendem Material aufgebracht ist und daß die schmalen streifenförmigen
Leiter (25, 26, 27) auf der gleichen Seite des Trägers wie die Scheibe (29) aufgebracht und an
dieser befestigt sind, daß die Dicke des dielektrischen Trägers (30), die Größe der leitenden
Scheibe (29) und die Dielektrizitätskonstante des Trägermaterials so gewählt sind, daß die elektromagnetische
Energie im Bereich der leitenden Scheibe (29) lokalisiert wird.
5. Zirkulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen streifenförmigen Leiter
(25, 26, 27) strahlenförmig symmetrisch vom Umfang der Scheibe (29) nach außen ragen.
6. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle (29), an der die Übertragungsleitungen
zusammengekoppelt sind, und der benachbarte Teil des Masseleiters (33) einen Hohlraum bilden, der die elektromagnetische
Energie auf diesen Bereich begrenzt.
7. Verfahren zum Herstellen eines Zirkulators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
auf die eine Hauptfläche des scheibenförmigen Trägers eine metallische leitende Schicht aufgebracht
wird, wodurch der Masseleiter gebildet wird, und daß auf die entgegengesetzte Hauptfläche des
Trägers eine andere metallische leitende Schicht in einem Muster aufgebracht wird, welches die
schmalen Leiter und deren Kopplungsstelle bildet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Applications Claiming Priority (1)
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