DE1964670A1

DE1964670A1 - Wellenleiter mit einem dielektrischen Traeger

Info

Publication number: DE1964670A1
Application number: DE19691964670
Authority: DE
Inventors: Wen Cheng Paul
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-12-27
Filing date: 1969-12-23
Publication date: 1970-07-16
Also published as: JPS5123701B1; FR2027196A1; GB1273820A; NL6919386A; DE1964670B2; SE359690B; NL169251B; US3560893A; JPS5122194B1; JPS5123702B1; NL169251C

Description

Wellenleiter mit einem dielektrischen Träger.

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter mit einem dielektri sehen Träger, an dessen einer Oberfläche mindestens ein schmaler
streifenförmiger Leiter angeordnet ist und der außerdem mindestens einen ebenen Masseleiter aufweist.

In dem Bestreben, die Herstellungskosten und die Baugröße bekannter Mikrowellengeräte zu verringern, hat man integrierte
Schaltungen für Mikrowellenanwendungen verwendet, und man benötigt ferner miniaturisierte Mikrowellenbauelemente. Übliche in inte- I grierter Technik ausgebildete Mikrowellenleitungen bestehen aus I einem einzigen dielektrischen Träger, auf dessen einer Seite ein j schmaler streifenförmiger Leiter angeordnet ist, während sich auf ! der gegenüberliegenden Seite des Trägers ein ebener Masseleiter j befindet. ;

Hierbei ist es erforderlich, das leitende Material auf beider Seiten des Trägers zu befestigen. Die Masseebene auf der gegenüberliegenden Seite des dielektrischen Trägers ist dabei relativ
schwer zugänglich für Parallelverbindungen, die bei vielen aktlven Mikrowellenbauelementen notwendig sind. Ferner macht es die
direkte Abhängigkeit des Wellenwiderstandes von der Dicke des
Trägers praktisch unmöglich, verlustarme Materialien mit hoher
Dielektrizitätskonstante zu verwenden, und dies ist ein schwerwiegender Nachteil bei Anwendungen für relativ niedrige Frequenzen, bei welchen die Baugröße ein wichtiger Faktor ist.

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Ferner eignen sich die vorhandenen Mikrowellenbauelemente, die im TEM-Mode arbeiten, nicht zur Herstellung einer ganzen Anzahl nicht-reziproker magnetischer Bauelemente wie z.B. Richtlei- ! ter oder Differenzphasenschieber, welche sich mit Wellenleitern aufbauen lassen. Ein weiterer Nachteil bekannter Wellenleiter und auch einiger nicht abgeschlossener weniger üblicher Wellenleiter liegt insbesondere darin, daß sie eine untere Grenzfrequenz aufweisen. Sie lassen sich daher nicht ohne weiteres für bestimmte Niederfrequenz- oder Gleichstromanwendungen, wie beispielsweise in Zusammenschaltung mit einer Diode in einer Gleichrichterschaltung, verwenden. " .

Die Aufgabe .der Erfindung besteht in der Verbesserung der be-j kannten Wellenleiter derart, daß die erwähnten Nachteile ausgeschaltet werden. Zur Lösung sieht die Erfindung vor, daß sowohl der streifenförmige Leiter als auch der breiter ausgebildete Masse leiter auf derselben Oberfläche des dielektrischen Trägers vorgesehen werden. Insbesondere wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Masseleiter auf derselben Oberfläche des Trägers mit Abstand neben dem Leiter und in einer Ebene mit ihm angeordnet ist und ; mehr als doppelt so breit wie der streifenförmige Leiter ist und ; daß die Dielektrizitätskonstante des Trägers wesentlich größer J als die des der Oberfläche des Trägers benachbarten Mediums ist, ! derart, daß das elektrische Feld einer längs des Wellenleiters j

sich ausbreitenden Welle hauptsächlich zwischen dem streifenförmi-! gen Leiter und dem Masseleiter begrenzt ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sieh aus den Unter- ; ansprüchen. Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellun- j gen von AusführungsbeispMen näher erläutert. Es zeigt: \

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Wellenleiters nach_;j der Erfindung; j

Fig. 2 einen Schnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Wellenleiter; .

Fig. 3 den Wellenwiderstandsverlauf des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Wellenleiters in Abhängigkeit vom Verhältnis bestimmter Abmessungen; .

411 -.--■ -

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform des in Fig. 1 dargestellten Wellenleiters mit einer Metallsohutzschiene, die gleichzeitig der Verbindung mit dem Massepotential dient;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Anwendungebeispiels des erfindungsgemäßen Wellenleiters als Richtungskoppler;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Anwendungsbeispiels als Phasenschieber oder Richtleiter;

Fig. 7 eine Darstellung der Dämpfung über der Frequenz für einen entsprechend Fig. 6 ausgebildeten Riehtleiter;

Fig. 8 einen Schnitt durch einen nach der Erfindung aufgebauten Feldverdrängungsrichtleiter;

Fig. 9 einen Teilschnitt eines Phasenschiebers oder Richtleiters in einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 eine Darstellung der Phasenverschiebung eines Phasenschiebers entsprechend Flg. 9 im Frequenzbereich von 5 bis 7 OHz;

Fig. 11 eine Draufsicht auf einen nach der Erfindung aufgebauten Bandpaß und

Fig. 12 einen Wellenleiter gemäß der Erfindung mit einer eingebauten Diode. / .

Der in Fig. 1 dargestellte Wellenleiter weist einen einzigen dünnen schmalen streifenförmigen Metall-Leiter 11 auf einer Seite eines dielektrischen Trägers I3 auf. Ein breiterer erster Masseleiter 15, der'mindestens zweimal so breit wie der schmale strei-j fenförmige Leiter 11 ist, ist im Abstand,parallel und in einer Ebene mit dem Leiter 11 angeordnet. In gleicher Welse ist ein zweiter breiterer Massestreifen 17 von ebenfalls- mindestens der doppelten Breite wie der Leiter 11 im Abstand neben diesem, parallel zu ihm und in einer Ebene mit ihm auf der dem ersten Masseleiter 15 gegenüberliegenden Seite des Mittelleiters 11 angeordnet. Der obere Teil des Trägers 1? liegt frei. Die relative Dielektrizitätskonstante £_r des dielektrischen Trägermaterials • (gemessen im Verhältnis zur Dielektrizitätskonstarite■·.-der Luft) ist vorzugsweise acht oder noch größer. - _:>' , .

Flg. 2 veranschaulicht die Feldverteilung eines Hochfrequenz feldes 19 einer auf die Leitung nach Fig, I gegebenen elektromagnetischen Welle. Das Hochfrequenzfeld verteilt sich zwischen der Mitte des leitenden Streifens 11 und den Masseleitern 15 und 17· Die zur Grenze zwischen Luft und Dielektrikum tangential verlaufende Feldkomponente ruft eine Diskontinuität in der tangentialeh Verschiebung der Stromdichte an der Grenzfläche zwischen dein dielektrischen Träger 13 uhd der darüber befindlichen Luft hervor, so, daß eine Axialkomponente des elektrischen Feldes 19 entsteht«

Die Axialkomponente des magnetischen Feldes an der Grenzfläche liegt in Ausbreitungsrichtung, Die gestrichelten Linien 21 in den FIg* 1 und 2 stellen das magnetische Feld dar« Das magnetisch Feld erstreckt sieh längs beider Seiten des schmalen Leiters 11 und läuft unter ihm hindurch. Da es eine Komponente in Ausbreitungsrichtung hat, handelt es sich beim Ausbreitungsmeehanisraüs nicht um einen reinen TEM-Mode sondern um einen Quasi-TEM-Möde. Anhand von Fig. 1 läßt sich sehen, daß in Vektorrichtimg des magnetischen Feldes 21 gesehen die magnetischen Feldvektoreri (Ffeile 18 und 18^s.) an einer Stelle zu beiden Seiten des schmalen Leiters zwischen diesem und dem breiteren Masseleiter an den Trennflächen im gleichen Sinne elliptisch polarisiert erscheinen.

Wenn die relative Dielektrizitätskonstante E_r des Trägers sehr viel größer als Eins ist, dann erscheint der magnetische Feldvektor an der Trennfläche zwischen Dielektrikum und Luft zwischen dem schmalen und unteren Leiter fast zirkular-polarißiert, wobei die Zirkular-Polarisation auf gegenüberliegenden Seiten Ü9S schmalen Leiters im gleichen Sinne verläuft, wie die Pfeile l8 und 18' in Fig. 1 andeuten. Die Ebene der Zirkular-Polarisation liegt in Ausbreitungsriehtung und senkrecht zur Oberfläche des Trägers 13.

Der in den Fig. 1 und 2 dargesteilten Wellenleiter braucht nicht zwei Masseleiter aufzuweisen, sondern es genügt beispielsweise auch nur ein einziger breiter Hasselelter 15, der auf einer Seite des Trägers 13 im Abstand und in einer Ebene mit dem sohmalen Streifen angeordnet ist, der dielektrische Träger hat dabei ebenfalls die oben erwähnte Dielektrizitätskonstante« Verwendet man zwei ebene breitere Maaseleiter, wie es im AusfUhrungebeiepiel

aootäfi/ui·"' ~'~

BAD

nach Fig. 1 dargestellt ist, dann soll der Abstand d zwischen den Masseleitern 15 und 17 kleiner als die halbe Wellenlänge (λ/2) bei der Betriebsfrequenz betragen.

Wenn bei einem solchen Wellenleiter, wie ihn die Pig. 1 und ί zeigen, der dielektrische Träger mehr als zweimal so dick ist wie der Abstand zwischen dem schmalen Leiter und dem breiteren Masseleiter beträgt, dann ist die charakteristische Impedanz (Wellenwiderstand) des Wellenleiters hauptsächlich durch den Abstand zwischen dem schmalen Leiter und dem breiteren Masseleiter bestimmt.

Pig, 3 läßt erkennen, daß die charakteristische Impedanz des erfindungsgemäßen Wellenleiters sich als Funktion des Verhältnisses a,/b. für Träger aus Materialien verschiedener relativer Di-

elektrizitätskonstanten C^ verändern läßt. Der Abstand a^ ist die Entfernung von tier Mitte des Mittel-Leiters bis zu seiner Seitenkante und bj ist die Entfernung von der Mitte O des Mittel-Leiters zur nächst liegenden Seitenkante dea Masseleitere. Mit; zunehmendem Verhältnis a^ zu b^ und mit zunehmender Dielektrizitätskonstante verringert sich die Impedanz des Wellenleiters. Wirü das Verhältnis aj zu bj kleiner und/oder wird die relative JDi#iektriaitätskonstante £_r kleiner, dann vergrößert sich sieh die Impedanz, Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Wellenleiters ist die charakteristische Impedanz relativ unabhängig von der Dick« des Trägers, Daher läßt sich ein Verlustarmes Dielektrikujnmaterial,, wie Rutil, verwenden, was zu einer weiteren Verringerung der Abmessungen führt· Auch erlaubt die erfindungsgemäße Ausbildung den leichten Anschluß äußerer Parallelschaltungselemente, wie aktive Bauelemente oder die Herstellung von Reihen-oder Parallelkapazitäten·

Pigi 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Paar Wellenleiter 35 und 36 auf einen Träger £5 hoher Dielektrizitätskonstante, über dem dielektrischen Träger 25 ist eine Metallkappe 23 angeordnet, die mit den breiteren Masseleitern 27$ 29 und 31 der Wellenleiter 35 und 36 verbunden ist und sowohl als Schutzabdeckung wie auch als gemeinsame Massezuführung für di® Wellenleiter dient. Der eine Wellenleiter 35 besteht aus einem schmalen Leiter 37 und J zwei breiteren Masseleitern 27 und 29, während der andere Wellen- j ^! leiter 36 aus einera schmalen Leiter 38 und zwei breiteren Masse- ' ■ leitern 31 und 29 besteht,, Wegen der großen Dielektrizitätskon- j

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stante des gemeinsamen Trägers 25 wird der größte Teil der Hochfrequenzenergie im dielektrischen Träger konzentriert und die Aufladung der Metallkappe 23 wird vernachlässigbar klein, wenn ihr Abstand von der Oberfläche des Trägers größer als die doppelte Breite des Abstandes zwischen den Leitern ist.

Mit einem derartig aufgebauten Wellenleiter lassen sich viele Arten von Mikrowellen-Bauelementen herstellen. Fig. 5 zeigt einen Richtungskoppler, bei dem die schmalen, streifenförmigen Mittel-Leiter 42 und 43 in geringem Abstand zwischen den breiteren Masseleitern 46 und 47 auf dem Träger 40 angeordnet sind. Die Leiter 45 und 48 dienen ebenfalls als breitere Masseleiter für die schmalen Leiter 42 und 43 in dem ihnen gemeinsamen Bereich. Im Interess optimaler Betriebseigenschaften soll die Länge des Koppelabschnittes 49« in dem die schmalen Leiter dicht nebeneinander herlaufen, etwa eine Viertel-Wellenlänge oder ein ungerades Vielfaches bei der Betriebsfrequenz des Kopplers betragen. Zur Vergrößerung der Bandbreite dieses Bauelementes kann mehr ale ein einziger Vierte1-Wellenlängen-Abßchnitt verwendet werden. Die Anschlüsse 1 und 2 sind die Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüsse, und die Anschlüsse 2 und 4 sind die Koppel** und Richtleiteranschlüsse· Dem Eingangsanschluß X zugeführte Signale werden sum Teil unmittelbar auf den Ausgangsanschluß 2 geführt und zum anderen Teil über den Koppelbereich 49 zum Ausgangsanschluß 4 gekoppelt, ohne an den Anschluß zu gelangen. In gleicher Weise werden dem Anschluß 2 zugeführte Signale zum Teil auf den Ausgangsanschluß Γ gekoppelt, während ein anderer Teil über den Koppelabschnitt 49 zum Anschluß 3 gelangt, während am Anschluß 4 kein Signal erscheint.

Es hat sich gezeigt, daß sich nach den Lehren der Erfindung Mikrowellen-Bauteile herstellen lassen, die im Verhalten ähnlich denjenigen sind, welche in "Microwave Ferrits and Ferriraagnefcles¹¹ von Lax and Button, McGraw-Hill I962, beschrieben sind. Wie bereit s angedeutet wurde, erscheinen die magnetischen Feldvektoren an der Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Luft zwischen dem schmalen Leiter und dem breiteren Magseieiter fast zirkularpolarisiert in gleichem Sinne auf gegenüberliegenden Seiten des schmalen Leiters„ Breitet sich eine elektromagnetische Welle durch! [die Leitung in der einen Richtung l6 aus_a dann ist die Zirkular- \

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BAD

Polarisation dir Vektoren 18 und 18* im Uhrzeigersinn gerichtet , Für eine sich in entgegengesetzter Richtung 20 ausbreitende elektromagnetische Welle kehrt sich die Zirkular-Polarisationsrichtung der magnetischen Feldvektoren um, so daß sie im Gegenuhrzeigersinn verlaufen. Die Ebene der Zirkular-Polarisation verläuft rechtwinklig zum Träger 13, wie dies Fig. 1 zeigt. Ordnet man an der Grenzfläche zwischen Luft und Dielektrikum zwischen dem schmalen Leiter und dem breiteren Masseleiter gyromagnetische Materialien an und spannt sie durch ein magnetisches Gleichfeld vor, dann Stelgen sie einen Unterschied in der Permeabilität, der sowohl von der besonderen Feldverteilung der elektromagnetischen Wellen als auch von der Feldstärke des magnetischen Gleichfeldes abhängt. Der Ausdruck gyrbmagnetIsOhes Material bezieht sich auf ferrimagnetisehe, ferromagnetische und antiferromagnetische Materialien, welche das Phänomen aufweisen, das mit der Bewegung von Dipolen in diesen Materialien bei Vorhandensein eines magnetischen Gleiohfeldes und eines überlagerten magnetischen Hochfrequenzfeldes verbunden ist Und in vielen Hinsichten dem klassischen Gyroskop ähnlich ist. Diese Materialien und ihre Eigenschaften sind in den Kapiteln 1 bis 6 der vorerwähnten Literaturstelle diskutiert.

Setzt man also ein derartiges gyromagnetisches Material in den Bereich, in weichem die Zirkular-Polarisation des magnetischen Feldvektors auftritt, wie Fig. 1 zeigt, und legt man ein magnetisches Gleichfeld zur Vorspannung dieses Materials an, dann lassen sich hiermit zahlreiche Typen reziproker und nicht-reziproker MikroweilenbaueJLemente aufbauen.

Fig. 6 zeigt einen Hesönanzriehtleiter oder einen Differenzphasenschieber unter Verwendung eines Wellenleiters der vorbeschriebenen Art, Er enthälteinen schmalen streifenförmigen Leiter 51 und zwei breitere ebene Masseleiter 52 und 53, wie sie im Zusammenhang mit Fig. !beschrieben sind, auf einem dielektrischen Träger 55, dessen relative Dielektrizitätskonstante E_r mindestens¹ acht (i» Vergleich zur Dielektrijßität der Luft) ist. Der schmale Leiter 51 und die breiteren ebenen Masseleiter 52, 53 (die mehr alß zweimal so breit sind) sind im Abstand, In einer Ebene und parallel zueinander angeordnet.

0098 29/U1 β

Gyromagnetisches Material 54, 56» wie beispielsweise Ferrit oder Granat ist an der Grenzflache zwischen Luft und Dielektrikum zwischen dem schmalen Leiter 51 und jedem der breiteren Masse-* leiter 52 * 53 vorgesehen. Rechtwinklig zur Ebene der Zirkular-Polarisation der magnetischen Feldvektoren wird ein positives magnetisches Gleichfeld längs der coplanaren Oberflächen angelegtj welches in Fig. β durch den Pfeil 57 veranschaulicht ist*

Wenn die Größe oder Feldstärke des magnetischen Gleichfalls in Richtung des Pfeiles 57 so groß ist* daß die natürliche Präzessionsfrequens (der Materialmolaküle) mit der Frequenz des Mikro Wellensignals zusammenfällt, dann ergibt sich eine Resonanz für die positive Permeabilität (/U+), welGhe der positiven Zirkular-Polarisation zugeordnet ist, während für die negative Zirkular» Polarisation keine.Resonanz eintritt. Signale, die sieh in einer Richtung 58 durch das Bauelement ausbreiten* erfahren wenig oder

keine Dämpfung, da in dieser Richtung die Permeabilität negativ ist (/U-), während Signale, die sich in der entgegengesetzten Richtung 59 ausbreiten, eine beträchtliche Dämpfung erfahren, da infolge der Resonanz eine Absorption von Leistung auftritt.

Ein nach der Erfindung aufgebauter Riehtleiter hatte beispielsweise einen Titandioxyd (T_±0₂)-Träger von 0,6^5 «am Dicke und mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 15Ο; die Breite des schmalen streifenförmigen Mittel-Leiters betrug 0,762 mm, der Zwischenraum zwischen diesem Mittel-Leiter und den breiteren ebenen Masseleitern betrug ebenfalls 0,762 ram« Jeder der Masseleiter 52, 53 hatte eine Breite von mehr als 2,54 mm. Die Streifen des gyromagnetischen Materials 54 und 56 waren 0,254 mm breit, 0,127 mra dick und 15,24 mm lang und bestanden aus Granat der Bezeichnung GlOOO der Firma Trans-Tech Inc., Gathersburg, Md.

Wie Fig. 7 erkennen läßt, ergibt das in Fig. 6 dargestellte Bauelement bei einer magnetischen Gleichvorspannung von etwa 2133 Oe eine Dämpfung von mehr als 30 dB, wenn sich die Signale mit einer Frequenz von 6 GHz in Richtung 16 durch den Wellenleiter ausbreiten (Kurve 61)* Für eine Ausbreitung in der entgegengesetzten Richtung 20 ist die SignaldSmpfung bei 6 GHz praktisch vernachlissigbarj wie iCurve 62 zeigt.

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Wird die Stärke des magnetischen Gleichfeldes so gewählt, daß das gyromagnetische Material oberhalb oder unterhalb seiner Resonanz in Pfeilrichtung 57 oder in entgegengesetzter Richtung vorgespannt? wird, dann liefert das in Fig. 6 dargestellte Baue'lement eine differtielle Phasenverschiebung zwischen den sich in einer Richtung 59 und den sich in der entgegengesetzten Richtung 58 ausbreitenden Signalen, weil die effektiven Permeabilitäten für die sich in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ausbreitenden Wellen unterschiedlich sind*

Das in Fig. 6 dargestellte Bauelement läßt sich als reziproker Phasenschieber oder Riehtleiter betreiben, wenn man die Stücke des gyromagnetischen Materials 54, 55 für den Fall eines reziproken £iia$ensehiebers oberhalb oder unterhalb der Resonanz, für ^en Fall äines Richtleiters bei Resonanz vorspannt, in dem man ein magnetisches Gleiöhfeld in den durch die Pfeile 60 angedeuteten^ Bia&turigeri anlegfe* ν ^/^-^:r-';::.- -.:" ;- -.:. -. -. ;

Ein nach dem Prinzip der Feidverdräi^ng a^^eiiiöhder Richt<leiter läßt sieh mit derteordnüng" nach. Fig. & herstellen, wenn man gemäß Fig. 8 oberhalb desr$ragers 65 zwischeji dem schmalen streifenförmigen Leiter Θ\ und den breiteren Masseleitern 65 und 66 Streifen 67 und 68 aus Material niedriger flie^ektrizitäts-· konstante, wie PoIytetraflttorathyleh, vorsieht, Oberhalb dieser Stücke 67 und 68 werden Filme 69 und TO aus Widerstandsmaterial wie Kohle angeordnetj über denen wiederum Streifen aus gyromagnetischem Material 70 und 71 vorgesehen werden._: Der Kohlefilm auf der Innenfläche des gyromagnetischen Materials absorbiert Energie, wenn sich die Felder in das gyromagnetische Material hinein zusammendrängen. Die höhere Permeabilität für die Signalausbreitung in Vorwärtsrichtung längs des schmalen Leiters 64 führt zu einer größeren Feldzusammendrängung in dem gyromagnetischen Material als es für eine Signalausbreitung in der entgegengesetzten Rieh- [ tung längs des Leiters 64 der Fall ist* Auf diese Weise wird kei-j ne nennenswerte Energie aus einer in Gegenrichtung laufenden WeI-) Ie absorbiert, und nennenswerte Verluste treten nur in Vorwärts-· j riehtung auf * , ^:. ■ / r_t'_;,^; '-. Λ λ ■ ; ■-.'."■" "-■■.."." - ■■."".

FIg₀ 9 2eigt eine weitere ÄusföhrungsfQrä eines nicht-reaiproken Phasenschiebers oder mieht-"reziproken Richtielters« Ein

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schmaler streifenförmiger Leiter 74 und breitere Masseleiter 75 und 76 sind an einem Träger 77 relativ hoher Dielektrizitätskonstante zur Bildung des gewünschten Wellenleiters befestigt. Eine Platte 78 aus gyromagnetlschem Material, wie Ferrit, ist oberhalb und in diesem Falle über den Leitern 74, 75 und 76 angeordnet. Dieses Bauelement wird einem in Pfeilrichtung 79 verlaufenden magnetischen Gleichfeld ausgesetzt. Für den Fall eines Differentialphasenschiebers oder eines nicht-reziproken Resonanzrichtleiters ist das Produkt der Trägerdicke t, mit der Dielektrizitätskonstante u, des Trägers 77 wesentlich größer als das Produkt der Gesamtdicke tg und Dielektrizitätskonstante £- des gyromagnetisehen Ferritmaterials (6-jt, >£ptp), so daß das zirkularpolarisierte Magnetfeld im wesentlichen neben der Oberfläche des Trägers im gyromagnetisehen Material begrenzt ist»

Für eine vorgegebene Dicke des Trägers und des gyromagnetisehen Materials soll die Dielektrizitätskonstante des Trägerma-, terials 77 wesentlich größer als der doppelte Wert der Dielektrizitätskonstanten der gyromagnetisehen Materialplatte 78 sein» Bei Anlegen einer magnetischen Gleichvorspannung in Pfeilrichtung 79 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und längs der Oberfläche des Trägers mit einer Feldstärke, die ausreicht, um die Platte 78 oberhalb oder unterhalb ihrer Resonanz vorzuspannen, arbeitet das Bauelement als nicht'-reziproker Phasenschieber wegen des Permeabilitätsunterschiedes für die beiden entgegengesetzten Wellenausbreitungsrichtungen 80 und 81.

Wenn das Produkt der Dicke ."t... und der Dielektrizitätskonstante £, des Trägers, wie er in Fig, 9 dargestellt ist, im wesentlichen gleich dem Produkt der Dicke fc« und der Dielektrizitätskonstante £L der gyromagnetisehen Platte 78 gemacht wird (A^l ^ ^2*0)* dann kann man dieses Bauelement als reziproken Phasenschieber betreiben. Bei Anlegen eines magnetischen Gleich-' feldes einer solchen Feldstärke, daß der Ferrit oberhalb oder■■· unterhalb der Resonanz vorgespannt wirdj, dann erfahren die in einer Richtung durch den Wellenleiter wandernden Signale die gleiche Phasenverschiebung wie in entgegengesetzter Richtung durch den Wellenleiter laufende Signale. Ein Differenzphasenverschieber gemäß Fig. 9 ist aufgebaut worden mit einem Träger von

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-π ■■-.■■.

0,508 tarn Dicke und einer relativen Dielektrizitätskonstante von Ei ungefähr IjO. Die gyromagnetische Platte 78 oberhalb der Lei ter war 0,127 rom dick, 5,08 mm breit und 15^24 nun Xang-o Sie bestand aus Granat mit einer relativen-Dielektrizitätskonstante von etwa I5.

Kurve 85 in Fig. 10 läßt erkennen, daß eine dlfferentielle Phasenverschiebung von mehr als 40 ^ö für einen solchen Phasenschieber auftritt, wenn er in einem Frequenzbereich von 5 bis 7 OHz betrieben wird und mit einem magnetischen Gleichfeld von I215 Oe vorgespannt wird. Als nicht-reziproker Hesonansrichtleiter läßt sich die Ausführungsform nach Figo 9 betreiben, wenn das Ferritmaterial in Pfeilrichtung 79 mit einem magnetischen Feld so vorgespannt wird, daß das Material der Platte 78 sich bei der Betriebsfrequenz in Resonanz befindet.

Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf ein Resonanz^Baridpaßfilter 90, welches nach den Lehren der Erfindung aufgebaut ist. Ein schmaler streifenförmiger Leiter 91 und breitere ebene Mässeleiter 92 und 92 sind parallel im Abstand und miteinander ausgerichtet auf einem dielektrischen Träger 86 angeordnet. Der schmale Mittel-Leiter 91 ist in seinem Verlauf geknickt und dieser Kniokteil 99 ist mit einem Teil des breiteren Masseleiters 92 verbunden. Der Leiter 95 weist an der Knickstelle einen Vorsprung auf, so daß für den schmalen Leiter 91 ein Masseleiter und eine Impedanzanpassung vorliegt. -

Der Knick des Mittel-Leiters 9I ist so ausgebildet, daß seine Teile 97 und 9§ nahe dem Verbindungspunkt.99 „rechtwinklig zueinander verlaufen. Eine Kugel 95 aus gyromagnetische!« Material, wie Yttrium-Eisen-Granat, ist neben dem Verbindungspunkt 99 angeordnet wo der schmale Leiter mit dem Masseleiter 92 verbunden ist, und zwar zwischen.den Teilen 97 und 98 des Leiters 91*'lh Pfeilrichtung 94 wird ein magnetisches. Gleichfeld angelegt, welches rechtwinklig zur Ebene des Trägers 86 verläuft und auf den Betrachter , gerichtet ist. Die Feldstärke diese* magnetischen Feldes ist so gewählt, daß das Yttrium-Eisen-Granat-Material bei der Mitte der Betriebsfrequenz nahe seiner Resonanz liegt* ■.

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IWWW

Bei Anlegen von Signalen an das Bauelement in Richtung der Pfeile 96 und 96a besteht nur wenig oder keine Kopplung 'zwischen, den Teilen 97 und 98 des Leiters 91 für Signale außerhalb der Mittenf requenss. Lediglich bei Signalen ßsit der Resonanz frequenz koppelt die Ferritkugel 95 Energie zwischen den beiden reehtwiBk' ligen Teilen 97 und 98 des Leiters 91. Die Mittenfrequenz d@s . durchgelassenen Bandes kann durch Änderungen der Größe der mag-» netischen Gleichvorspannung variiert werden. Auf diese Weise l&s< sen sich sowohl Resonanz-Bandpässe als auch Sperrfilter realisieren. Solche Filter lassen sich wegen der Breitbandeigenschaften des erfindungsgemäßen Wellenleiters in einem weiten Bereich abstimmen. ·

Außer den vorstehend beschriebenen Bauelementen lassen sich auch einfache Bauelemente, wie sie in der Wellenleitertechnik bekannt sind aufbauen, beispielsweise ^/^-Transformatoren und Hesanatoren. ₌ '

Auch lassen sich Halbleitermaterialien bei nach den Fig. 1 und 2 aufgebauten Wellenleitern verwenden, so daß diese Bauelemente bei ,einer Vorspannung durch ein äußeres magnetisches Gleich· feld ähnlich den in Verbindung mit den gyromagnetischen Material! en beschriebenen aufgebaut werden können« Halbleiterbauelemente oder andere stromgesteuerte Bauelemente lassen sich leicht an den Wellenleiter* wie er in den Fig» 1 und 2 beschrieben ist, anschließen, da sich der schmale Mittel-Leiter und der Masseleiter auf derselben Oberfläche des Trägers befinden. Beispielsweise ist in Fig. 12 eine Gleichrichterschaltung angegeben* welche eine Diode 101 auffaßt, die zwischen den Masseleiter 102 und dem schmalen Leiter 103, die sich beide auf derselben Seite des dielektrischen Trägers 105 befinden, geschaltet ist.

Die hier beschriebenen Wellenleiter lassen sich gleichfalle zum Aufbau nicht-reziproker Verbindungselemente, beispieleweise Zirkulatoren, verwenden, in dem man eine Mehrzahl von Wellenleitern in einem gemeinsamen Flächenbereich zusammenschaltet und magnetisch vorgespanntes gyromagnetisches Material in diesem Bereich anordnet. Hierzu sei beispielsweise auf den Abschnitt 12-8 dee erwähnten Buches "Microwave Ferrites and Fereimagnefcice*! wiesen,- . ■'." - .."-.' . ■ ■_ ■_■■.. ■■ .". ,- - /.;.-

Claims

Pat e η. t Ansprüche

l,j Wellenleiter mit einem dielektrischen Träger, an dessen einer Oberfläche mindestens ein schmaler, sisreifenförmiger Leiter angeordnet ist und der außerdem mindestens einen ebenen Masseleiter aufweist, dadurch ge k e η η ze ic h η e t , daß der Masseleiter (XJJ) auf derselben Oberfläche des Trägers (I3) mit Abstand neben dem Leiter (ll) und in einer Ebene mit ihm angeordnet ist und mehr als doppelt so breit wie der streifenförmige Leiter (11) ist und daß die Dielektrizitätskonstante des Trägers (13) wesentlich größer als die des der Oberfläche des Trägers be-r nachbarten Mediums ist, derart, daß das elektrische Feld einer längs des Wellenleiters sich ausbreitenden Welle hauptsächlich zwischen dem streifenförmigen Leiter (11) und dem Masseleiter (15) begrenzt ist.

2.) Wellenleiter nach .Anspruch 1,^d a d u r c h g e k e η η ζ e i c haet , daß ein zusätzHeher ebener Masseleiter (17), der ebenfalls mehr als doppelt so breit wie der schmäle streifenförmige Leiter (11) ist, auf der dem ersten Masseleiter (IS) gegenüberliegenden Seite des schmalen, streifenförmigen Leiters (11) im Abstand und in einer Bbene neben diesem Leiter (11) auf derselben Oberfläche des Trägers (ί>) angeordnet ist, derart,: daß bei Anlegen einer elektromagnetischen Welle eine Magnetfeidfcomponente in Ausbreitungsrichtung der Welle entsteht.

Wellenleiter nach Anspruch 2, d a du rc h ge k e.n-. η zeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden ebenen Masseleitern (15, 17) bei der Betriebsfrequenz kleiner als eine halbe Wellenlänge ist. * j

4.) Wellenleiter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dad u roh g e- ! kennzeichnet, daß der Träger (lj) aus einem blatt- J förmigen dielektrischen Material besteht und daß die Leiter (11, j 15* 17) auf einer der großen Oberflächen des Blattes befestigt j sind und daß der Träger (13), eine relative Dielektrizitätskon- j stante der Größenordnung von mindestens acht aufweist* . ι

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5.) Weilenleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a durch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Dicke des dielektrischen Trägers (15) mehr als doppelt so groß wie der Abstand zwischen dem schmalen, streifenförmigen Leiter (11) und einem der ebenen Masseleiter (IS, 17) ist.

6.) Wellenleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a durch gekennzeichnet, daß mindestens ein Körper (54, 56) aus einem Material, welches bei Anlegen eines äußeren magnetischen Gleichfeldes einen gyromagnetischen Effekt zeigt, zwischen dem schmalen Leiter (11) und einem der ebenen Masseleiter (I5, I.7) angeordnet ist und daß Mittel zum Anlegen eines äußeren magnetischen Gleichfeldes an den Materialkörper. (54* 56) zur Erzeugung einer Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Feld und der Welle vorgesehen sind.

7.) Wellenleiter nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß neben dem gyromagnetischen Körper (67, 68) ein Stück Widerstandsmaterial (69, 70) angeordnet ist.

8.) Wellenleiter nach Anspruch 6 oder 7* dadurch gekennzeichnet, daß der gyromagnetische Körper (67, 68) auf der erwähnten großen Oberfläche des dielektrischen Trägers ' (13) angeordnet ist.

9.) Richtungskoppler unter Verwendung von Wellenleitern nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h gekennzeichnet , daß zwei der Wellenleiter so angeordnet sind, daß der schmale Leiter (42, 4j) jedes Leiters mit einem Abschnitt in dichtem parallelen Abstand zu dem entsprechenden Abschnitt des anderen Wellenleiters verläuft, derart, daß jeder der schmalen Leiterabschnitte (49) im Koppelbereich des Feldes der elektromagnetischen Wellen des Übertragungsweges des anderen Abschnittes liegt, und daß ferner die schmalen Leiter "■<< (42, 43) in diesem Koppelabschnitt (49) gemeinsame Masseleiter (46, 47) haben. ·

10.) Richtungskoppler nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Länge jedes Abschnittes (.49) bei der Betriebsfrequenz des Kopplers ein ungerades Vielfaches einer Viertel-Wellenlänge ist.

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11·) Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis; 5> d a d u-τ © h gekennze i c h η e t $ daß ein Blatt ader eine Platte (7i aus einem, Material, welches bei Anlegen eines äußeren magnetischen Gleichfeldes einen geomagnetischen Effekt geigte über dem schmalen Leiter (74) und den Masseleitern (75* ?6) angeordnet ist ^ und 'daß Mittel zum Anlegen eines äußeren magnetischen ßleichfeldes an die Platte (78) zur Erzeugung einer Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der angelegten Welle vorgesehen sind*

12.) Wellenleiter nach Anspruch 11, dadurch g e k e η n' zeichnet, daß das den gyromagnetischen Effekt zeigende Material der Platte (78) ein Produkt aus Dielektrizitätskonstante mal Dicke hat, welches kleiner als das Produkt aus Dielektrizitätskonstante mal Dicke des Trägers (77) ist.

15.) Wellenleiter nach Anspruch 12_S dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Dielektrizitätskonstante mal Dicke des Trägers (77) mindestens zweimal so groß, wie das Produkt aus Dielektrizitätskonstante und Dicke der Platte (7.8) ist." *

14.) Wellenleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a durch gekennzeichnet, daß die übertragene. Welle eine magnetische Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung hat und daß sich das magnetische Feld zwischen dem schmalen, streifenförmigen Leiter (11). und den ebenen Masseleitern (15* 17) erstreckt und durch magnetische Feldvektoren dargestellt wird, welche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle längs der Oberfläche des Trägers gesehen in gleichem Sinne, praktisch zirkular-polarisiert auf gegenüberliegenden Seiten des schmalen Leiters (11) sind.

15.) Wellenleiter nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e η η zeichnet , daß mindestens ein Körper aus gyromagnetischem Material auf dem Träger zwischen dem schmalen, streifenförmigen Leiter und einem der ebenen Masseleiter angeordnet 1st und daß Mittel zur magnetischen Vorspannung dieses Körpers mit einem äußeren magnetischen Oleichfeld senkrecht zur Ebene der Zirkular-Polarisation unä längs der Oberfläche des Trägere vorgesehen sind

00382S/U13

ORIGINAL INSPECTED

16.) Richtleiter unter Verwendung von Wellenleitern nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bei dem auf einer Oberfläche eines Trägers ein schmaler, streifenförmiger Leiter angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf derselben Oberfläche des Trägers ein erster ebener Masselei^· ter, dessen Breite mehr als zweimal so groß wie die des schmalen Leiters ist in einer Ebene mit diesem und neben ihm angeordnet ist, daß auf der gegenüberliegenden Seite des schmalen Leiters ein zweiter ebener Masseleiter von mindestens der zweifachen Dicke des schmalen Leiters in einer Ebene mit ihm und neben ihnr im Abstand verlaufend auf derselben Oberfläche des Trägers angeordnet ist, daß die Dielektrizitätskonstante des Trägers wesentlich größer als die des an die Oberfläche des Trägers angrenzenden Mediums ist, so daß bei Anlegen einer elektromagnetischen Welle das.elektrische Feld innerhalb des dielektrischen Trägers zwischen dem schmalen Leiter und den ebenen Masseleitern begrenzt ist, und daß ein magnetisches Feld zwischen dem schmalen Leiter und den ebenen Masseleitern ausgebildet wird, das eine Komponente in Ausbreitungsrichtung hat und auch magnetische Feldvektoren auf weist, die praktisch zirkulär im gleichen Sinne polarisiert auf gegenüberliegenden Seiten des schmalen Leiters, in Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle längs der Oberfläche des Leiters gesehen/ sind und daß schließlich ein Körper aus einem Material, welches bei Anlegen eines äußeren magnetischen Gleichfeldes gyromagnetische Resonanzerscheinungen zeigt, auf der Oberfläche des Trägers zwischen den schmalen Leitern und einem der ' ebenen Masseleiter angeordnet ist und daß Mittel zum Anlegen eines äußeren magnetischen Gleichfeldes zur Vorspannung des Körpers in Resonanz mit der Welle vorgesehen sind (Fig. 6), 17.) Resonanz-Bandpaßfilter zur Übertragung elektromagnetischer Wellen in einem vorgegebenen Frequenzbereich, mit einem dielektri sehen Träger, auf dessen einer Oberfläche mindestens ein schmaler, streifenförmiger Leiter befestigt ist, dadurch g e f kennzeichnet, daß ein erster ebener Masseleiter von mehr als der zweifachen Breite des schmalen, streifenförmigen Leiters in einer Ebene mit diesem und im Abstand an ihn angren- ' zend auf der einen Oberfläche des Trägers angeordnet ist, daß ein

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ORIGINAL

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'zweiter ebener Masseleiter vbrl nielir aus- der zweifachen Breite des schmalen Leiters' in einer Ebene tüid im Abstätiä von diesen neben, ihm verlaufend auf der einen Oberfläche dSI Trli'er'S ätif der dieni ersten Masseieit^r gegeiiilßerlieierideii Seite des ichmalen Leiters angeordnet; ist _s. daß der TrMger eiiie Dieiektrizitätslcdnstänte hat, die wesentlich grööer als die des äii die iine Oberfläche angrenze: de Mediums ist, derart; daß dää iiefctriiicha Feld ihrieriialb des dielektrischen Trägerä zliiscHlfi äem sdhriialihi streifenförmigen Leiter und deü Mässeleiterii eihgisehlössinwirä, dal die Leiter mit den Wellen zur Bildung eine¹! mäghetiicheri Feldes züsäiÄeriwirkeni Welches in Äusbreituiigsriöhttihg dör bellen verläuft; so daß iin mägiietischer Feiäveictor iwischen Sin Leiterri entsteht, der zirtoiär-polariäiert isti daß der schtiiale streiferiförmiie Leiter (91) eine Biegung (^7; <jÖ| aufweist und äii einem Piankt (99 der Biegung mit dem ersten ^beiieri iiäss'eieiter (92) verbühden ist, und daß ein Körper (95) aus einem iiäteriäl, iiilHhis' bei ÄHiegeri eines äußeren magnetische^ Gleichfeides einen gyromäghetischen Effekt zäigt, angreiiiend Mn "iSile des schmälen Leite"rs (91) Mttf der gegenüberliegenden Seite des Verbiridühgspühktes (99) vorgesehen ist.

18.) Wellenleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Masseleiter parallel zu dem schmalen Leiter, oder bei mehrereil schmälen Leitern parallel zu diesen angeordnet sind.

0Q9829/U18

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L e e r s e i t e