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Anordnung zur Beeinflussung der Ausbreitungseigenschaften einer Mikrowelle
durch mindestens ein im Feld der Mikrowelle liegendes Perritelement Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anordnung zur Beeinflussung der Ausbreitungseigenschaften
einer Mikrowelle durch mindestens ein im Feld der Mikrowelle liegendes Ferritelement,
dessen remanente Induktion-durch einen stromdurchflossenen, ganz vom Ferritelement
umschlossenen elektrischen Leiter umgekehrt werden kann und einem außerhalb des
Ferritelementes erzeugten und auf das Ferritelement einwirkenden äußeren Magnetfeld.
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Es sind Anordnungen bekannt, bei denen ein ferritmagnetisches Material
zur Beeinflussung der Ausbreitungseigenschaften einer Mikrowelle im Feld der Mikrowelle
angeordnet ist und einem oder mehreren Magnetfeldern unterworfen sein kann. Die
bekannteste Anordnung ist die eines Ferritstabes in einem Hohlleiter. In diesem
erstreckt sich der Ferritstab in axialer Richtung.
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Er ist entweder in der Mitte oder an einer Seite des Hohlleiters angeordnet.
Er kann quadratischen, reehteckigen,
runden oder rohrförmigen Querschnitt
aufweisen. Es ist ferner bekannt, daß durch Anlegen eines außerhalb des Hohlleiters
erzeugten Magnetfeldes, dessen magnetische Feldlinien den Hohlleiter bzw. den Ferritstab
ganz oder mindestens teilweise durchsetzen, die Mikrowellenpermeabilität des Ferritstabes
verändert werden kann und somit eine Änderung der phase der sich im Hohlleiter ausbreitenden
Mikrowelle erreicht wird. Aus diesem Grunde werden derartige Anordnungen als Phasenschieber
bezeichnet.
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Es ist weiterhin bekannt, zusätzlich zu diesem genannten Magnetfeld,
das beispielsweise einstellbar ist, ein zweites Magnetfeld anzuordnen, das z.B.
durch einen Dauermagneten aufgebracht wird, so daß der Ferrit im Hohlleiter zwei
sich überlagernden Felder ausgesetzt ist.Dadurch kann ein bestimmter magnetischer
Arbeitspunkt für den Perritstab festgelegt werden, von dem ausgehend die Anderung
durch das einstellbare Feld bewirkt wird.
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Es ist weiterhin bekannt, in einem derartigen Hohlleiter einen sich
axial erstreckenden Ferritstab anzuordnen, der eine in axialer Richtung verlaufende
Ausnehmung aufweist. Durch diese Ausnehmung hindurch verläuft ein elektrischer Leiter,
durch den z.B. ein Stromimpuls geschickt wird, der eine Remanenzmagnetisierung in
diesem Ferritstab hinterläßt. Eine derartige Anordnung ist in der französischen
Patentschrift 1 459 972 gezeigt. Die aus dieser Patentschrift bekannte Anordnung
zeigt weiterhin eine Anordnung zur Eraeugung -eines zweiten magnetischen Feldes
zur Beeinflussung dieser Remanenzmagnetisierung, das z.B. durch eine in axialer
Richtung um den Hohlleiter herum gewickelte Spule erzeugt werden kann oder auch
durch außerhalb des Hohlleiters angeordnete Perinanentmagnete.
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Bei dieser bekannten Anordnung verlaufen die magnetischen
Feldlinien
des außen erzeugten Feldes senkrecht zu den Feldlinien der remanenten Induktion
im Innern des Ferritelementes8 In diesem Fall bewirkt das von außen angelegte Feld
eine symmetrische Erniedrigung der remanenten Induktion (IBr+I = ##Br#).
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, z.B. die Phasenschiebung
digitaler Ferritphasenschieber nachtäglich einstellbar zu machen und hierzu ein
außerhalb der Hohlleitung erzeugtes magnetisches Feld von geeigneter Größe und Richtung
auf das phasenschiebende Ferritelement einwirken zu lassen.
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Derartige digitale Ferritphasenschieber bestehen aus einem Hohlleitungsabschnitt,
in dem sich ein oder mehrere gleich oder ungleich lange Ferritelemente befinden,
die in bekannter Weise jeweils einen in sich geschlossenen magnetischen Kreis bilden.
Diese Ferritelemente weisen in bekannter Weise runde oder eckige Querschnitte auf
und erstrecken sich von einer Breitseite der Hohlleitung zur anderen. Als Stromleiter
wird, wie in der oben genannten französischen Patentschrift ausgefffhrt, parallel
zur breiten Hohlleiterwand ein elektrischer Leiter isoliert durch die schmalen Hohlleiterwände
und in axialer Richtung~der Hohlleitung durch das Ferritelement hindurchgeführt.
Durch kurze Stromimpulse wechselnder Polarität und ausreichender Größe können die
Ferritelemente zwischen den beiden remanenten Magnetisierungszuständen B+ und Br
lmmagnetisiert werden. Jedem dieser beiden Zustände entspricht eine bestimmte elektrische
Länge des Hohlleitungsabschnittes, so daß ein eingespeistes Mikrowellensignal beim
Umschalten von einem Zustand zum anderen eine Phasenschiebung erleidet.
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Diese Phasenschiebung hängt unter anderem von der Länge des Ferritelementes
und der gesamten Induktionsänderung
|B+rg ab. Da sich jedoch die
bekannten Anordnungen nur für eine symmetrische Erniedrigung der Induktionsänderung
eignen, ist ihre Anwendung beschränkt und z. B. recht ungeeignet für die Verwendung
in digitalen- Perritphasenschiebern, bei denen eine asymmetrische Erniedrigung mit
beispielsweise |#Br-| = 0 undiB+ri>Ooder allgemeiner|ABr| + |#Br+| erreicht werden
sollte. Um z.B. für diesen Anwendungsfall und auch andere eine asymmetrische Erniedrigung
zu erreichen, wird nach der Erfindung bei einem Phasenschieber der eingangs genannten
Art vorgeschlagen, daß die Anordnung zur Erzeugung des Außenfeldes bzw.
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der Außenfelder derart getroffen ist, daß die magnetischen Feldlinien
des Außenfeldes bzw. -Felder zur wahlweisen Erzielung einer asymmetrischen oder
symmetrischen Erniedrigung der Remanenzmagnetisierung mindestens teilweise parallel
zu der Richtung der remanenten Induktion im Ferritelement verlaufen und daß dieses
äußere Magnetfeld nur einen Teil des Ferritelementes durchdringt.
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Die größte Wirkung im Sinne einer asymmetrischen Erniedrigung der
Remanenzinduktion wird dann erreicht, wenn nach der Erfindung die Anordnung zur-Erzeugung
des Außenfeldes derart getroffen ist, daß die magnetischen Feldlinien des Außenfeldes
in einem Teil des Perritelementes parallel in Richtung oder Gegenrichtung der remanenten
Induktion im Ferritelement verlaufen. In den Zwischenlagen ist dann| AB+r| ßF rl.
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Eine asymmetrische Beeinflussung der Remanenzpunkte 3r+ und 3r gelingt
erfindungsgemäß auch, wenn eine Anordnung derart getroffen ist, daß zwei Außenfelder,
beispielsweise unterschiedlicher Größe, angeordnet sind, deren Feldlinien das Perritelement
jeweils nur teilweise und an verschiedenen Stellen, sich nicht
einander
überlagernd, also unabhängig voneinander, durchdringen und parallel bzw. antiparallel
zur Richtung der remanenten Induktion im Perritelement verlaufen. Hierbei wirkt
jeweils nur das äußere Feld, dessen Feldlinien im Ferritelement antiparallel zur
Richtung der Remanenzinduktion sind.
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Sollen mehrere gleiche digitale Phasenschieber parallel zueinander
betrieben werden, beispielsweise in Schwenkantennen und Schaltern, so tritt neben
die Bedingung,'daß alle Phasenschieber durch das Umschalten von einem Remanenzpunkt
in den anderen die gleiche Phasenschiebung bewirken, noch die Forderung, daß alle
Phasenschieber z.B. im Schaltzustand Br die gleiche elektrische Länge, d.h. Zwischenschaltphasenschiebung
aufweisen. Die Erfindung bietet die Möglichkeit, durch asymmetrische Beeinflussung
der Remanenzinduktionen individuell an allen Phasenschiebern die Arbeitspunkte Br
und Br unabhängig einzustellen und somit auf einfache Weise evtl. mechanische Toleranzen
oder Schwankungen der Materialeigenschaften auszugleichen.
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Bei einem digitalen Hohlleitungsphasenschieber, bestehend aus einem
beispielsweise rechteckigen Hohlleiter, in dem ein Ferritelement mit rundem oder
quadratischem Querschnitt sich von einer Breitseite des Hohlleiters zur gegenüberliegenden
erstreckt und parallel zur Achse des Hohlleiters angeordnet ist, wobei das Ferritelement
eine axiale~Bohrung oder Ausnehmung zur Aufnahme eines Drahtes aufweist, mittels
dessen durch einen Stromimpuls das zur Ummagnetisierung des Ferritelementesnotwendige
Feld erzeugt wird, kann die Erfindung darin bestehen, daß die Anordnung zur Erzeugung
eines Außenfeldes derart getroffen ist, daß die Feldlinien dieses Außenfeldes in
an sich bekannter Weise parallel zur Breitseite des Hohlleiters liegen,
aber
das Ferritelement nur teilweise, und zwar in der Nähe der flohlleiterbreitseite,
durchdringen.
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Es kann außerdem eine Anordnung mit einer auf einer Ferritplatte oder
dergleichen angeordnetem Streifenleiter geeigneter, beispielsweise mäanderförmiger
Struktur zur Bildung eines Phasenschiebers und einem durch eine Bohrung in der Ferritplatte
geführten Draht zur Umkehrung der Remanenzinduktion in der Platte nach der Erfindung
derart getroffen werden, daß ein äußeres Feld oberhalb oder unterhalb der die Leiterstruktur
tragenden Ferritplatte und außerhalb des Bereiches, in dem die Mikrowellenenergie
konzentriert ist, angebracht ist, 80 daß die Feldlinien des äußeren Feldes die Ferritplatte
nur teilweise durchdringen und innerhalb der Ferritplatte im wesentlichen parallel
oder antiparallel zur Richtung der remanenten Induktion verlaufen.
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Weiterhin kann nach der Erfindung die Anordnung auch derart sein,
daß das äußere Feld auf die remanente Induktion eines zusammen mit einem Wellenleiter
einen schaltbaren Zirkulator bildenden Ferritelementes einwirkt. Hierbei kann das
Ferritelement prismenförmig sein und im Zentrum von drei oder vier zusammengeführten
Hohlleitern angeordnet sein, wobei das Ferritelement geeignete Bohrungen parallel
zu den Breitseiten der Hohlleiter aufweist, so daß ein durch die Bohrungen geführter
Draht das Zentrum des Ferritelementes umschließt und mittels eines Stromimpulses
die remanente Induktion des Ferritelementes umgekehrt werden kann.
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Nach der Erfindung kann (können) das (die) äußere(n) Magnetfeld(er)
durch (einen) Elektromagnete(n) oder Permanentmagnete(n) erzeugt werden.
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Es kann ferner der in den Elektromagneten eingespeiste
Strom
zur Erzeugung des äußeren Magnetfeld es mittels eines die Temperatur des Ferritelementes
messenden Thermoelementes und eines elektronischen Regelgerätes derart geregelt
werden, daß eine Temperaturkompensation der die Ausbreitung der Mikrowelle bestimmenden
remanenten Induktion im Ferritelement erzielt wird.
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In allen beispielsweise genannten Anwendungsfällen müssen nach dem
Grundprinzip der Erfindung die von einem oder mehreren sich außerhalb der Mikrowellenleiterstruktur
befindlichen Außenmagnete im Ferritelement induzierter Felder mindestens teilweise
parallel zur Richtung der remanenten Induktion im Ferritelement sein. Die sich im
Ferritelement der Remanenzinduktion überlagernden Außenfelder können durch Permanentmagnete
oder Elektromagnete erzeugt werden. Die zur Erzielung des gewünschten Effektes erforderliche
Feldstärke im Ferritelement kann durch geeignete Wahl der Permanentmagneten und/oder
seitliche oder axiale Verschiebung der Magnete eingestellt werden. Auch eine Verdrehung
des Magneten oder ein größerer Abstand zum Ferritelement bietet sich als Möglithkeit
an, den Effekt in gewünschter Weise zu beeinflussen. Im Falle eines Elektromagneten
kann zusätzlich noch der Erregerstrom variiert werden.
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Eine weitere erfindungsgemäße Anwendung der beschriebenen Anordnung
dient der Temperaturkompensation.
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Bekanntlich sinkt mit zunehmender Temperatur die remanente Induktion
und damit gegebenenfalls auch die Phasenschiebung des Ferritelementes. Eine Temperaturkompensation
in einem Bereich T1c T 5 T2 kann dadurch erzielt werden, daß erfindungsgemäß ein
Elektromagnet angeordnet und von einem Strom erregt wird, dessen Größe mittels eines
die Temperatur des Ferritelementes
messenden Thermoelementes und
eines elektronischen Reglers derart gesteuert wird, daß das vom Elektromagneten
im Ferritelement induzierte Feld bei der höheren Temperatur gieich Null ist und
mit abnehmender Temperatur steigt, so daß bei der Temperatur T1 die remanente Induktion
auf einen Wert Br (T1) = Br (T2) erniedrigt wird. Die gleiche temperaturkompensierende
Wirkung kann auch erzielt werden, wenn anstelle des temperaturabhängig erregten
Elektromagneten ein Permanentmagnet gewählt wird, dessen magnetischer Fluß über
zwei magnetische Polschuhe oder Flußleiter mit niedriger Curie-Temperatur T c dem
Ferritelement zugeleitet wird. Erreicht oder überschreitet die Temperatur U die
Curie-Temperatur des magnetischen Flußleiters (z.B. Termoflue der Fa. Vacuumschmelze
GmbH, Hanau), so schließt sich das magnetische Feld des Permanentmagneten außerhalb
des Ferritelementes. Mit abnehmender Temperatur wird in zunehmendem Maße der magnetische
Fluß des Permanentmagneten über die Flußleiter dem Ferritelement zugeleitet, so
daß im Ferritelement ein die remanente Induktion erniedrigendes mit abnehmender
Temperatur ausbiegendes Feld induziert wird. Durch geeignete Wahl des Permanentmagneten
und der magnetischen Flußleiter kann eine sehr gute Temperaturkompensation in einem
großen Temperaturbereich erzielt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näjier beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Hohlleiter mit in diesem sich axial erstreckenden
Ferritelement, Fig. 2a,b bis 4a, b Hysteresiskurven und Querschnitte des Ferritelementes
zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,
Fig. 5 ein Ferritprisma
für einen schaltbaren 3-Tor-Ferritzirkulator, Fig. 6 eine Ferritplatte mit einer
mäanderförmigen Streifenleitung (microstrip) zur Verwendung als schaltbaren Phasenschieber,
Fig. 7 und 8 Anordnungen zur Temperaturkompensation mittels Elektro- oder Permanentmagneten.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Hohlleiter bezeichnet, in dem eine Mikrowelle
in Richtung des Pfeiles 2 fortschreitet. In diesem Hohlleiter 1 befindet sich ein
Ferritelement 3, das sich in axialer Richtung des Hohlleiters 1 erstreckt. Dieses
stabförmige Element weist eine Ausnehmung 4 auf, durch den ein elektrischer Leiter
5 geführt ist. Dieser elektrische Leiter 5 kann außerhalb des Hohlleiters 1 an eine
ein- und umschaltbare Stromquelle angeschlossen werden. Ein kurzer Stromimpuls durch
den elektrischen Leiter 5 bewirkt entsprechend seiner Polarität im Ferritelement
3 eine remanente Induktion in der durch den Pfeil 6 angedeuteten oder entgegengesetzten
Richtung.
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Ein außerhalb des Hohlleiters 1 durch einen Elektromagneten oder Permanentmagneten
erzeugtes Magnetfeld durchdringt das Ferritelement 3 oberhalb der Ausnehmung 4 in
Richtung des Pfeiles 7 (oder entgegengesetzt) und im wesentlichen parallel zur Breitseite
des Hohlleiters. Es kann gleichzeitig auch ein zweites Magnetfeld von außen angelegt
werden, das dann das Ferritelement 3 unterhalb der Ausnehmung 4 in Richtung des
Pfeiles 8 (oder entgegengesetzt) durchdringt. Die beiden Magnetfelder haben in den
Bereichen oberhalb oder unterhalb der Ausnehmung 4 des Ferritelementes 3 Komponenten
parallel oder antiparallel zur Richtung 6 der remanenten Induktion. Dadurch ist
es möglich, die
Größe der remanenten Induktion und damit die Phasenschiebung
in einem derartigen Hohlleiterabschnitt in gewünschter Weise einzustellen.
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Diese Einstellung kann nun nach der Erfindung in besonders wirkungsvoller
Weise dadurch erreicht werden, daß eine asymmetrische Erniedrigung der remanenten
Induktion durchgeführt wird, wie sie am besten anhand der Fig. 2a,b bis 4a,b erklärt
werden kann.
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Fig. 2a zeigt+den Querschnitt des Ferritelementes 3.
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Der Zustand Br in Fig. 2b ist dadurch gekennzeichnet, daß die remanente
Induktion in Richtung des Pfeiles 6 im Uhrzeigersinn die Ausnehmung 4 umschließt.
In diesem Zustand ist das von außen angelegte und nur oberhalb der Ausnehmung 4
das Ferritelement 3 durchdringende Magnetfeld (Richtung Pfeil 30) parallel zur Richtung
der remanenten Induktion und somit wirkungslos. Kehrt man die Richtung der remanenten
Induktion um (Zustand sosowirken die nun entgegengesetzten Richtungen erniedrigend
auf die Größe von Br Fig. 3a zeigt den umgekehrten Fall. Hier ist die Richtung,
Pfeil 31, des Magnetfeldes entgegengesetzt, und der Zustand Br bleibt unbeeinflußt,
wohingegen B+ eine Erniedrigung erfährt, Fig. 3b.
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In Fig. 4a ist der Fall dargestellt, daß zwei Magnetfelder gleichzeitig
und unabhängig voneinander das Ferritelement 3 oberhalb bzw. unterhalb der Ausnehmung
4 durchdringen. Die Richtung der Magnetfelder ist durch die Pfeile 32 und 35 gekennzeichnet.
Der etwas kürzere Pfeil 33 soll andeuten, daß die Stärke der entsprechenden Magnetfelder
beispielsweise geringer ist. Die Wirkung der beiden Magnetfelder auf die Zustände
der remanenten Induktion 3r und Br zeigt Fig. 4b, Das zum
Pfeil
32 gehörige Magnetfeld beeinflußt nur die Größe von Br , während das beispielsweise
kleinere Magnetfeld (Pfeil 33) im Zustand Br unwirksam bleibt und nur B+r umeinen
kleineren Betrag|#Br-| erniedrigt. Da die Stärke der beiden Magnetfelder unabhängig
voneinander gewählt werden können, lassen sich also Br und Br unabhängig voneinander
in gewünschter Weise einstellen.
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Fig. 5 zeigt ein Ferritprisma 9 eines schaltbaren 3-Tor-Zirkulators.
Dieses Prisma 9 befindet sich im Zentrum von drei unter 1200 aufeinander treffende
Hohlleiter, wobei die Kanten des Ferritprismas 9 jeweils in die Richtung der drei
Hohlleiter weisen. Das Ferritprisma 9 besitzt Bohrungen 10 -zur Aufnahme eines elektrischen
Leiters 11, der das Innere des Ferritprismas 9 umschließt. Ein Stromimpuls durch
den elektrischen Leiter 11 bewirkt eine remanente Induktion im Ferritprisma 9, deren
Feldlinien sich im Innern des Prismas schließen. Beispielsweise können die Feldlinien
der remanenten Induktion im Zentrum des Ferritprismas 9 von unten nach oben, unterhalb
der oberen dreieckförmigen Fläche von innen nach außen in Richtung der Kanten und
dann parallel zu den Kanten, und zwar zwischen diesen und den Bohrungen 10 nach
unten verlaufen, um sich dann oberhalb der unteren Dreiecksfläche wieder nach innen
zu schließen. Auch in diesem Fall läßt sich die remanente Induktion nach der Erfindung
dadurch beeinflussen, daß außerhalb des Hohlleiters über einer Dreiecksfläche ein
Magnetfeld angelegt wird, dessen Richtung beispielsweise durch den Pfeil 34 gekennzeichnet
ist.
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In Fig. 6 wird ein schaltbarer Ferritphasenschieber in Microstrip-Technik
gezeigt. Auf einem dünnen Ferritplättchen 13, das auf der Unterseite metallisiert
ist, befindet sich eine beispielsweise mäanderförmige
Leiterstruktur
14. Durch eine Bohrung 15 ist ein elektrischer Leiter 16 hindurchgeführt. Ein kurzer
Stromimpuls durch diesen Leiter 16 bewirkt eine remanente Induktion innerhalb des
Ferritplättchens 13 in der durch Pfeil 17 beispielsweise angedeuteten Richtung.
Ein oberhalb oder unterhalb des Ferritplättchens 13 mittels eines Elektromagneten
oder Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld induziert im Perritplättchen 13 Feldlinien
gemäß Pfeil 18. In entsprechender Weise kann ein zweites Magnetfeld unabhängig entsprechend
dem Pfeil 19 angelegt werden. Durch geeignete Wahl der Größe und Polarität dieser
Felder ist es erfindungsgemäß möglich, die remanente Induktion und damit die Phasenschiebung
der Leiterstruktur 14 in beiden Zuständen, Br und, unabhängig voneinander zu beeinflussen.
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Fig. 7 zeigt eine Anordnung zur Temperaturstabilisierung der Phasenschiebung
eines Hohlleiterabschnittes 1 mit Ferritelement 3, einer axialen Ausnehmung 4 zur
Aufnahme des elektrischen Leiters 5. Außerhalb des Hohlleiters 1 und oberhalb des
Ferritelementes 3 eine Anordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, bestehend aus
einem hier beispielsweise U-förmigen Joch 20 mit einer Erregerwicklung 21, die aus
einem elektronischen Regelgerät 22 gespeist wird. Die Temperatur des Ferritelementes
wird mit einem Thermoelement 23 gemessen.
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Das elektronische Regelgerät 22 speist einen Strom 7 in die Erregerwicklung
21 derart, daß bei niedrigen Temperaturen der Strom hoch ist und die remanente Induktion
Br im Ferritelement stark erniedrigt, mit zunehmender Temperatur aber abnimmt, so
daß die Erniedrigung der remanenten Induktion kleiner wird.
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Pig. 8 zeigt schließlich eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 7 beschrieben,
nur wird hier zur Erzeugung des temperaturabhängigen äußeren Magnetfeldes eine
Anordnung
gewählt, die aus einem Permanentmagneten 24 und zwei magnetischen Flußleitern 25
besteht.
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Die Curie-Temperatur der Flußleiter 25 betrage beispielsweise 65 0C.
Unterhalb dieser Temperatur durchdringen die Feldlinien entsprechend Pfeil 27 das
Perritelement 3 und bewirken eine Erniedrigung der remanenten Induktion. Mit zunehmender
Temperatur sinkt die Permeabilität der magnetischen Flußleiter 25, und das vom Permanentmagneten
24 erzeugte Feld schließt sich mehr und mehr außerhalb des Perritelementes 3. Oberhalb
der Curie-Temperatur durchdringen praktisch keine vom Permanentmagneten 24 ausgehende
Feldlinien mehr das Ferritelement 3, und die remanente Induktion wird nicht mehr
erniedrigt. Durch geeignete Wahl des Permanentmagneten 24 und der magnetischen Plußleiter
kann eine Temperaturkompensation der Phasenschiebung in einem breiten Temperaturbereich
erzielt werden.
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In einem Beispiel betrug die Änderung der Phasenschiebung ohne die
erfindungsgemäße Anordnung eines äußeren Magnetfeldes im Temperaturbereich 0°C bis
800C 22 % des Wertes bei 0 0C. Mit der in Fig. 8 beschriebenen Anordnung konnte
die Variation im gleichen Temperaturbereich auf 4 ffi verringert werden.
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Patentansprüche: