DE1917209A1 - Bandleitungsanordnung fuer Mikrowellen - Google Patents

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Bandleitungsanordnung für Mikrowellen

Die Erfindung bezieht sich auf Hybrid-Höchstfrequenzschaltungen, das heißt auf Schaltungen, deren Leiter von metallischen Niederschlägen geeigneter Form auf einem isolierenden Träger gebildet sind, wobei der Träger die Form eines Plättchens aufweist und die aktiven Elemente meist aus kleinen Blocks aus Halbleitermaterial bestehen, deren massive Aus-

Bu/ku

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gangsleiter

gangsleiter direkt mit den entsprechenden leitenden Niederschlägen verbunden sind. In der Literatur wurden solche Schaltungen beschrieben, und zwar insbesondere in der Zeitschrift "The Microwave Journal", Februar 1968_s Seite 51 indem Artikel "Microwave integrated electronics for ,radar and communication systems¹' von T. M. Hyltin.

Die Bedeutung dieser Art von Schaltungen muß nicht mehr erläutert werden. Sie erhöht die Anforderungen der Benutzer bezüglich der Verringerung des Platzbedarfs und des Gewichts von Höchstfrequenzschaltungen. Die vorliegende Erfindung hat insbesondere die Hybrid-Höchstfrequenzschaltunpselemente zum Gegenstand, welche die Eigenschaften von weichmagnetischen Materialien vom Ferrit-Typ ausnützen. Man weiß, daß diese Komponenten nicht.^reziproke Übertragungseigenschaften entweder in der Amplitude, wie die Isolatoren, oder in der Phase aufweisen, wie die Phasenschieber oder die Zirkulatoren, wenn ein Magnetfeld geeigneter Größe in diesem Material erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung führt insbesondere zur Herstellung von Elementarschaltungen oder Komponenten, deren Einfügung in eine Anlage mit mehreren Hybrid-Schaltungen leichter ist als bei gegenwärtig verfügbaren Komponenten. Die Anmelderin hat am 6. Dezember 1967 eine französische Patentanmeldung mit der Bezeichnung "Circuits microminiaturises a ferrite pour hyperfre'quences" eingereicht, welche eine zu friedenstellende Lösung für das Problem der Herstellung von Hochstfrequenzkomponenten angibt, bei denen die Eigenschaften von weichmagnetischen Materialien ausgenützt werden. Diese Komponenten befriedigen die Anforderungen der Benutzer bezüglich des Platzbedarfs und des Gewichts. Sie können darüber hinaus in einem weiten Frequenzbereich arbeiten, was offensichtlich eine interessante Eigenschaft ist. Ihre Einfügung

in 009823/16U

in eine Kette von Hybrid-Schaltungen kann jedoch gewisse technische Schwierigkeiten mit sich bringen, da diese Schaltungen einen Träger aus weichmagnetischem Material verwenden, dessen Abmessungen sich von denjenigen der isolierenden Träger unterscheiden können, auf welche gewöhnlich die passiven Leiter aufgebracht werden. In bekannter Weise wirkt sich die Einfügung einer geometrischen Diskontinuität im allgemeinen bei Höchstfrequenzen als Hindernis für die Fortpflan- , zung der Wellen aus. Es ist daher .erforderlich, daß zum Anschluß Anpassungselemente vorgesehen werden, welche die betreffende Schaltungskette etwas komplizierter machen können.

Die vorliegende Erfindung betrifft im wesentlichen Höchstfrequenzschaltungen, welche die oben erwähnten Nachteile nicht aufweisen und trotzdem die gleichen Vorteile bezüglich des Platzbedarfs und des Gewichts bieten.

Die erfindungsgemäßen Schaltungen zeichnen sich durch die folgenden Merkmale aus:

a) Ein Träger aus geringe Verluste aufweisendem isolierendem Material weist in seiner Masse Ausnehmungen auf, in welchen Teile aus weichmagnetischem Material angeordnet sind, wobei eine Fläche des Trägers vollständig von einem leitenden Niederschlag bedeckt ist, die andere Fläche Leiter in Form von leitenden Bändern trägt und äußere Einrichtungen ein Magnetfeld von zweckmäßiger Größe in den Teilen aus weichmagnetischem Material erzeugen.

b) Die Magnetisierung der in den Träger eingesetzten Teile aus weichmagnetischem Material gemäß a) wird durch Plättchen aus isolierendem hartmagnetischem Material gewährleistet, welche auf die metallisierte Fläche des Trägers gegenüber jedem

der 009823/16U

der magnetischen Teile angebracht sind.

c) Das von den Leitern gemäß a) gebildete Muster ist ein Kreuz, dessen zwei Arme an ihren Enden an zugeordnete Hybrid-Schaltungen angeschlossen sind und dessen beide Achsenabschnitte elektrische Längen besitzen, welche sich um eine Viertelwellenlänge unterscheiden, wobei der Teil aus weichmagnetischem Material unter der Überkreuzung von Achse und Armen angeordnet ist.

d) In der Anordnung gemäß c) sind die beiden Abschnitte der Achse des Kreuzes durch Belastungsimpedanzen abgeschlossen, welche so gewählt sind, daß die Differenz der elektrischen Längen der beiden Abschnitte eine Viertelwellenlänge beträgt.

e) In der Anordnung gemäß c) oder d) ist der Teil aus magnetischem Material eine Ferrit-Kugel.

f) Die Anordnung weist eine Anzahl von Kreuzen auf, welche

an den Enden der Arme zweier aneinandergrenzender Kreuze miteinander verbunden sind_ä wobei ein Teil aus magnetischem Material im Inneren der Anordnung unterhalb des überkreuzungspunktes jedes der Kreuze angeordnet ist.

g) In der Anordnung gemäß e) sind die Achsen der Kreuze parallel.

h) In der Anordnung gemäß e) sind die Arme der Kreuze längs einem Polygon angeordnet.

i) Das von den äußeren Einrichtungen in dem oder in den Teilen aus magnetischem Material erzeugte Magnetfeld liegt nahe beim gyromagnetischen Resonanzfeld dieses Materials.

j) Das in dem oder in den Teilen aus magnetischem Material erzeugte Magnetfeld liegt wesentlich unter dem Wert, welcher der gyromagnetischen Resonanz dieses Materials entspricht.

Es. 0 0.9 8-2 3/ 1 6 H

Es wurde bereits vorgeschlagen, Teile aus weichmagnetischem Material ins Innere von isolierenden Trägern einzubringen, welche einen Teil einer Höchstfrequenzschaltung mit Bandleitungen darstellen. Es wird insbesondere auf die französische Patentschrift 1 187 275 und auf die USA-Patentschrift 3 063 024 hingewiesen. Die französische Patentschrift beschreibt im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung eine Anordnung, welche im Inneren eines leitenden Gehäuses zwei isolierende Träger aufweist, zwischen welchen ein lokalisierter Leiter angeordnet ist, wobei das magnetische Material an der Stelle eines der isolierenden Träger zwischen dem Leiter und einer der Wände des Gehäuses angeordnet ist. Die Einfügung dieser Diskontinuität längs der Dreischichtenleitung muß durch einen Anpassungsteil kompensiert werden, wie es in der Patentschrift erläutert ist. Der Raum, in welchem das Magnetisierungsfeld des Ferrits erzeugt werden muß, ist daher verhältnismäßig groß und der Spalt wird im wesentlichen von der Luft gebildet, was die Verwendung von starken Feldern und daher verhältnismäßig platzraubenden Magneten erfordert. Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen viel einfacheren und bezüglich des Magnetfelds wirksameren Aufbau auf, da der Magnet direkt an der durchlaufenden Metallisierung angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen dem Magnet und dem Ferrit"nicht mehr als die Dicke der Metallisierung und eines Teils des isolierenden Trägers beträgt. Desgleichen erfordert die in der zweitgenannten Patentschrift beschriebene Anordnung die Verwendung von zwei Ferrit-Scheiben und das Magnetfeld muß in einem verhältnismäßig großen Volumen erzeugt werden, welches zwei Luftwege mit hoher Reluktanz, umfaßt. Darüber hinaus können die beiden in diesen Patentschriften beschriebenen Komponenten nicht ohne Diskontinuität an gegenwärtig verwendete Hybridschaltungen angeschlossen

werden. 009823/ 1 6U - . ■

werden, da diese Schaltungen nur eine dem leitenden· Band zugeordnete Leiterebene aufweisen.

Schließlich wurde in der USA-Patentschrift 3 289 112 eine Begrenzeranordnung beschrieben, bei welcher eine Ferrit-Kugel (Granat) verwendet wird, die in einer zu diesem Zweck in einem isolierenden Träger am Überkreuzungspunkt von zwei aufeina.nder senkrecht stehenden Leitern vorgesehenen Ausnehmung angeordnet ist. Diese Anordnung kann infolge der angewendeten Technik ebenso wie die obigen nicht ohne Diskontinuität an eine Hybridschaltung angeschlossen werden.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine Aufsicht aif eine erfindungsgemäße Schaltung,

Figuren 2 und 3 Schnitte durch zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltung,

Figur 4 die Kennlinie eines erfindungsgemäßen Isolators,

Figur 5 eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Isolatorschaltung,

Figur 6 eine Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Isolators und

Figur 7 eine Kennlinie der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform.

Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf einen Isolator gemäß der Er

findung 009823/ 16U

findung. Er besteht im wesentlichen aus einem Träger 1 aus Aluminium· großer Reinheit (höher als 95 %) _s welcher bei Höchstfrequenzen gerinne Verluste aufweist. Solche Aluminiumsorten sind im Handel erhältlich. Der Träger ist vorzugsweise so gewählt, daß er die gleiche Art und die gleichen Abmessungen besitzt wie die Träger, welche-zur Herstellung der anderen Elemente der Höchstfrequenzschaltung verwendet werden j die man aufzubauen wünscht. Es scheint gegenwärtig, daß eine Normung angestrebt wird, wenigstens was die Dicken der Träger betrifft. Einer der am häufigsten verwendeten Werte ist 1,2 mm. Die obere Fläche des Trägers trägt, wie dargestellt, einen kreuzförmigen metallischen Niederschlag. Dieser Niederschlag muß sowohl leitend sein, als auch am Träger 1 stark haften. Man kann solche Niederschläge mit Hilfe von aufeinander folgenden Metallschichten herstellen, deren letzte gewöhnlich aus Gold derart hergestellt wird, daß sie die für eine gute Erhaltung der Schaltung erforderliche Oxydationsbeständigkeit aufweist. Die Dicke des Niederschlags muß in jedem Fall größer sein als die Hautdicke bei der Arbeitsfrequenz. Bei Schaltungen, welche zum Betrieb bei einigen GHz bestimmt sind, ist eine Dicke von einigen Mikron zweckmäßig.

Die Enden 2 und 3 der Kreuzarme erstrecken sich derart bis zum Rand des Trägers, daß ihr Anschluß an angrenzende Elemente der Schaltung durch einfache Fortsetzung der Metallisierung möglich ist, wobei jede Unterbechung vermieden wird. Die Achse des Kreuzes wird von zwei Abschnitten k und 5 gebildet, deren elektrische Längen sich um ein Vielfaches der Viertelwellenlänge bei der Arbeitsfrequenz unterscheiden. Diese beiden Abschnitte spielen die Rolle von Phasenschieberabschnitten, wie es insbesondere in der oben genannten französischen Patentanmeldung der Anmelderin vom 6. Dezember 1967 beschrie

ben 00 9823/ 16U

ben ist. Wie dem Fachmann bekannt ist, erhält man in der überkreuzungszon© ß des Arms 7 mit der Achse 4-5 einen Bereich, in welchem sich zwei Wellen fortpflanzen, deren Polarisationsebenen aufeinander senkrecht stehen (das heißt eine Zone, in welcher die resultierende Welle eine zirkuläre· Polarisation aufweist). Wie aus den Schnitten der Figuren 2 und 3 ersichtlich, ordnet man unterhalb dieser Zone in der Masse des Trägers einen Teil 8 bzw. 8' aus weichmagnetischem Material an. Dieses Material ist beispielsweise ein an sich bekannter Granat aus Eisen, Yttrium und Gadolinium. Der Teil kann in eine für diesen Zweck im Träger 1 vorgesehene Ausnehmung eingesetzt werden. Die Figuren 2 und 3 zeigen, daß die Platte 1 in Richtung ihrer Dicke in zwei Teile geteilt ist, wobei die Ausnehmung gleichermaßen in die beiden Teile eingearbeitet ist, welche sodann beispielsweise durch Klebung zusammengefaßt werden, nachdem der Teil aus magnetischem Material eingebracht ist. Es ist klar, daß die Einführung dieses Teils in die Trägermasse auch durch irgendein anderes, dem Fachmann zur Verfügung stehendes Verfahren erfolgen kann. Es muß jedoch die elektrische Kontinuität der Schaltung erhalten bleiben, das heißt es.muß vermieden werden, daß in den Zonen, in denen sich die Höchstfrequenzenergie fortpflanzt, geometrische Diskontinuitäten auftreten. Man kann zum Beispiel eine Rampe aushöhlen, welche von der oberen Fläche des Trägers unter k5° bezüglich der Teile des Kreuzes ausgeht und bis zur Hälfte der Trägerdicke reicht, und man führt sodann den Teil aus magnetischem Material auf dieser Rampe bis zu seiner Stelle unter der Zone 6 ein, wo er sodann beispielsweise durch Ankleben festgelegt wird. Der untere Teil des Trägers ist gleichmäßig mit einem leitenden Niederschlag 9 bedeckt, welcher die für die Fortpflanzung von Höchstfrequenzwellen erforderliche Masse

ebene 00982 3/16U ~

ebene bildet. Ein Dauermagnet 10 erzeugt das für die Magnetisierung des Teils 8 oder 8' aus magnetischem Material erforderliche Magnetfeld. Diese sehr schematische Darstellung entspricht der Verwendung eines Dauermagneten, beispielsweise eines Plättchens aus einer Platin-Kobalt-Legierung. Diese Ausführung bietet den Vorteil eines sehr geringen Platzbedarfs. Es ist jedoch klar, daß das Magnetisierungsfeld auch mittels einer Spule erhalten werden kann, wie es an sich bekannt ist.

Der Teil 8 aus magnetischem Material ist bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform ein Plättchen mit rechteckigem Querschnitt, dessen Abmessungen etwas größer sind als diejenigen der Überkreuzungszone 6. Der bei 8' in Figur 3 dargestellte Teil ist eine Kugel, deren Durchmesser etwa der Breite der Leiter 4, 5 und 7 entspricht. Es ist dem Fachmann bekannt, -daß die Temperaturstabilität der magnetischen Eigenschaften einer Kugel besser ist als diejenige von Formen, welche nicht den gleichen Grad geometrischer Symmetrie besitzen. Die in Figur 3 dargestellte Ausführungsform wird daher für Schaltungselemente bevorzugt, welche in einem verhältnismäßig weiten Temperaturbereich arbeiten sollen.

Die Kurven in Figur 4 zeigen diö Kennlinien eines gemäß Figur 3 hergestellten Isolators in Abhängigkeit von der Änderung des angelegten Magnetfelds bei der Frequenz 2 GHz. Die obere Kurve in einer ausgezogenen Linie zeigt die Schwächung in umgekehrter Richtung und die untere Kurve in einer strichpunktierten Linie zeigt die Schwächung in direkter Richtung oder die Einfügungsdämpfung des Schaltungselements. Bei dieser Ausführungsform haben die Leiter 4, 5 und 7 die gleiche Breite (1,3 mm). Es ist festzustellen, daß die maximale umge-

kehrte 009823/ 1 6 U

kehrte Schwächung in der Größenordnung von 7 db liegt". Dieser „ Wert kann für bestimmte Anwendungen ungenügend sein. Figur 5 zeigt eine Aufsicht auf eine Ausführungsform einer Schaltung, welche als Isolator verwendet werden kann, dessen Schwächung größer ist als diejenige der Ausführungsform, welche soeben beschrieben wurde. Die Schaltung besteht im wesentlichen aus einer Anordnung von fünf Kreuzen 11, 12, 13, l4_s 15, welche den die obige Ausführungsform bildenden Kreuzen analog sind. Es ist klar, daß·die Anzahl von derart in Reihe geschalteten Kreuzen von den Kennlinien abhängt, welche man zu erzielen wünscht, wie es bei 16 gestrichelt dargestellt ist. WJe bei der vorangehenden Ausführungsform ist die gesamte Unterfläche des Trägers von einem leitenden Niederschlag bedeckt. Ein Teil aus weichmagnetischem Material ist in den Träger unterhalb der Überkreuzungszone jedes der Kreuze eingesetzt. Die Magnetisierung dieser magnetischen Teile kann durch eine einzige Anordnung oder durch getrennte Anordungen wie bei den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen gewährleistet werden.

Die Enden der beiden Abschnitte 4 und 5 der Achse des Kreuzes gemäß Figur 1 werden entweder durch eine Impedanz Null (wenn die Metallisierung auf der Schnittfläche des Trägers 1 bis zur unteren Metallisierung 9 fortgesetzt ist), oder durch eine unendlich große Impedanz abgeschlossen (wenn die Metallisierung auf der oberen Fläche des Trägers endet). Der Betriebszustand dieser Schaltung als Isolator erzeugt eine Differenz des elektrischen Weges zwischen den beiden Abschnitten 4 und 5 gleich einem Vielfachen der Viertelwellenlänge, um eine richtige Anpassung der Anordnung zu erzielen. Die Fortpflanzungszone mit zirkularer Polarisation existiert 34 Übrigen nur für eine sehr genaue Länge des Abschnitts 4 als Funktion

der 0 0 9 8 2 3 / 1 6 U

- ii -

der Wellenlänge ("τρ* wenn die charakteristischen Impedanzen aller Arme des Kreuzes gleich sind). Diese Bedingungen zeigen, daß' die in den -Figuren 1 und 5 dargestellten Ausführungs· formen zu verhältnismäßig selektiven Anordnungen führen. In Figur 6 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, welche eine größere Bandbreite aufweist. Wenn man von Gleichungen ausgeht, welche die Fortpflanzung von Wellen in dieser Schaltungsart beherrsche^ kann man zeigen, daß die Änderung des reaktiven Teils der Impedanz der Abschnitte 4 und 5» betrachtet von der Zone 6 aus, mit der Frequenz weniger schnell verläuft, wenn die Abschnitte durch Impedanzen mit einem endlichen, von Null verschiedenen Wert abgeschlossen sind. Bei der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform wird jeder der Abschnitte 4 und 5 durch eine Impedanz 4' bzw. 5¹ abgeschlossen., welche sich In Form einer Verengung der Leitung auf 0,13 mm Breite auf eine Länge von 1,7 mm für den Fall der Leitung darstellt, deren Eigenschaften oben für einen zum Betrieb bei 2 GHz bestimmten Isolator erwähnt wurden. Die nicht veränderte Länge des Abschnitts 4 (Breite 1,3 mm) beträgt 9,1 mm. Die Impedanzen 4' und 5' verhalten sich wie Induktanzen mit einem Wert von 1,7 nH. Dieser Wert wird beispielsweise angegeben und ist nicht notwendigerweise der optimale Wert für alle Anwendungen.

Die in einer ausgezogenen Linie gezeichnete Kurve I in Figur 7 zeigt in Abhängigkeit von der Frequenz die Änderung des imaginären Teils der Impedanz des Abschnitts 4, betrachtet von der Mitte der überkreuzungszone 6 längs der Leitung 4-5. Die in einer strichpunktierten Linie gezeichnete Kurve II zeigt die Änderung dieser gleichen Impedanz für den Fall des durch die Impedanz H¹ der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform abgeschlossenen Abschnitts 4. Die mittlere Wellen

länge 009823/16U

länge des Bandes, bei welcher die Messungen durchgeführt wurden, entspricht einer Frequenz von 2 GHz. Man sieht,, daß die strichpunktierte Kurve einer geringeren Änderung in Ab- ~ hängigkeit von der Frequenz entspricht _} als die ausgezogene Kurve.

Im vorangehenden wurden Schaltungselemente bischrieben, Vielehe die Rolle von Isolatoren spielen. Es ist dem Fachmann klar, daß eine Wahl des Werts des angelegten Magnetfelds die Verwendung dieser gleichen Anordnungen als nichtv^rezlproker Phasenschieber gestattet, wobei die Bedingung ausreicht, daß bei 6 eine Zone erzeugt wird, In der die Welle eine zirkuläre Polarisation aufweist. Es fällt ebenfalls in den Rahmen der Erfindung, drei gleiche Differenzphasenschieber in Reihe zu schalten, deren jeder eine Differenzphasenverschiebung von 6O° aufweist, so daß ein Delta-Zirkulator der in der obengenannten französischen latentanmeldung beschrieben Art gebildet wird, oder es kann irgendeine andere Anzahl von Phasenschiebern zur Erzielung von Zirkulatoren mit einer größeren Anzahl von Kanälen verwendet werden.

Patentansprüche 0 09823/16H

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Claims (6)

Pat ent ansprüche

1.) Ferromagnetische Bandleitungsanordnung für Mikrowellen, in welcher eine Zone einer zirkulär polarisierten Welle an der Überkreuzungsstelle zweier senkrechter, ein Kreuz bildender Leitungen gebildet ist, gekennzeichnet durch einen normalen, isolierenden, dicken Folienträger, dessen obere Fläche mit einem kreuzförmigen Leitermuster bedeckt ist und dessen untere Fläche durchgehend mit einem leitenden Film überzogen ist, Teile aus weichmagnetischem Material in Ausnehmungen innerhalb der Dicke des Trägers, welche in überdeckung mit der Überkreuzungszone des kreuzförmigen Musters angeordnet sind, sowie durch äußere Einrichtungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes in dem magnetischen Material und direkte Verbindung der Enden der Kreuzarme mit zugeordneten Bandleitungsschaltungen für Mikrowellen.

2. Bandleitungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Achse des Kreuzes bildenden Leiter mit dem durchgehenden Metallüberzug auf der anderen Fläche des Trägers in Berührung stehen.

3. Bandleitungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Achse des Kreuzes bildenden Leiter mit einer sehr hohen Impedanz abgeschlossen sind.

4. Bandleitungsanordriung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Achse des Kreuzes bildenden Leiter durch

endliche 009823/ -16-1 4"

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endliche, jedoch von Null verschiedene Impedanzen a.bgeschlossen sind; welche aus Leitungsabschnitten mit schmalerem Querschnitt bestehen.

5. Bandleitungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet ₃ daß der Überzug auf der oberen Fläche des Trägers aus einer Mehrzahl von kreuzförmigen Mustern besteht j deren Arme miteinander in Verbindung stehen und deren Achsen parallel zueinander verlaufen.

6. Bandleitungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4_, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug auf der oberen Fläche des Trägers aus einer Mehrzahl von kreuzförmigen Mustern besteht, deren Arme gemäß einer geschlossenen polygonalen Linie miteinander verbunden sind.

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