DE1964670B2

DE1964670B2 - Wellenleiter mit einem dielektrischen traeger sowie richtungskoppler, richtleiter und resonanz-bandpassfilter unter verwendung eines solchen wellenleiters

Info

Publication number: DE1964670B2
Application number: DE19691964670
Authority: DE
Inventors: Cheng Paul Trenton N.J. Wen (V.StA.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-12-27
Filing date: 1969-12-23
Publication date: 1972-07-06
Also published as: NL169251B; GB1273820A; DE1964670A1; US3560893A; JPS5122194B1; NL169251C; FR2027196A1; JPS5123702B1; NL6919386A; JPS5123701B1; SE359690B

Description

Leiters mit einer Metallschutzschiene, die gleichzeitig Trägers sehr viel größer als Eins ist, dann erscheint

der Verbindung mit dem Massepotential dient, der magnetische Feldvektor an der Trennfläche

, Fig..5 eine perspektivische Ansicht eines Anwen- zwischen Dielektrikum und Luft zwischen dem

dungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wellenleiters schmalen und unteren Leiter fast zirkular-polarisiert,

als Richtungskoppler, 5 wobei die Zirkular-Polarisation auf gegenüberliegen-

. F i g. 6 eine perspektivische Ansicht eines Anwen- den Seiten des schmalen Leiters im gleichen Sinne

dungsbeispiels als Phasenschieber oder Richtleiter, verläuft, wie die Pfeile 18 und 18' in F i g. 1 andeu-

Fig. 7 eine Darstellung der Dämpfung über der ten. Die Ebene der Zirkular-Polarisation liegt in

Frequenz für einen entsprechend F i g. 6 ausgebilde- Ausbreitungsrichtung und senkrecht zur Oberfläche

ten Richtleiter, . io des Trägers 13.

' F i g. 8 einen Schnitt durch einen nach der Erfin- Der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Wellenleiter

dung aufgebauten Feldverdrängungsrichtleiter, braucht nicht zwei Masseleiter aufzuweisen, sondern

F i g. 9 einen Teilschnitt eines Phasenschiebers oder es genügt beispielsweise auch nur ein einziger breiter

Richtleiters in einer anderen Ausführungsform der Masseleiter 15, der auf einer Seite des Trägers 13 im

Erfindung, 15 Abstand und in einer Ebene mit dem schmalen Strei-

Fig. 10 eine Darstellung der Phasenverschiebung fen angeordnet ist, der dielektrische Träger hat dabei

eines Phasenschiebers entsprechend F i g. 9 im Fre- ebenfalls die obenerwähnte Dielektrizitätskonstante.

quenzbereich von 5 bis 7 GHz, Verwendet man zwei ebene breitere Masseleiter, wie

F i g. 11 eine Draufsicht auf einen nach der Erfin- es im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 dargestellt ist,

dung aufgebauten Bandpaß und 20 dann soll der Abstand d zwischen den Masseleitern

Fig. 12 einen Wellenleiter gemäß der Erfindung 15 und 17 kleiner als die halbe Wellenlänge (/./2) bei

mit einer eingebauten Diode. der Betriebsfrequenz betragen.

Der in Fi g. 1 dargestellte Wellenleiter weist einen Bei einem solchen Wellenleiter, wie ihn die F i g. 1

einzigen dünnen schmalen streifenförmigen Metall- und 2 zeigen, ist der dielektrische Träger mehr als

Leiter 11 auf einer Seite eines dielektrischen Trägers 25 zweimal so dick wie der Abstand zwischen dem

13 auf. Ein breiterer erster Masseleiter 15, der min- schmalen Leiter und dem breiteren Masseleiter, dann

destens zweimal so breit wie der schmale streifen- ist der Wellenwiderstand des Wellenleiters hauptsäch-

förmige Leiter 11 ist, ist im Abstand, parallel und in Hch durch den Abstand zwischen dem schmalen

einer Ebene mit dem Leiter 11 angeordnet. In glei- Leiter und dem breiteren Masseleiter bestimmt,

eher Weise ist ein zweiter breiterer Massestreifen 17 30 F i g. 3 läßt erkennen, daß der Wellenwiderstand

von ebenfalls mindestens der doppelten Breite wie des erfindungsgemäßen Wellenleiters sich als Funk-

der Leiterll im Abstand neben diesem, parallel zu tion des Verhältnisses ajb^ für Träger aus Materialien

ihm und in einer Ebene mit ihm auf der dem ersten verschiedener relativer Dielektrizitätskonstanten r_r

Masseleiter 15 gegenüberliegenden Seite des Mittel- verändern läßt. Der Abstand a_x ist die Entfernung

leiters 11 angeordnet. Der obere Teil des Trägers 13 35 von der Mitte des Mittel-Leiters bis zu seiner Seitcn-

liegt frei. Die relative Dielektrizitätskonstante ε_Γ des kante und fr, ist die Entfernung von der Mitte 0 des

dielektrischen Trägermaterials (gemessen im Ver- Mittel-Leiters zur nächstliegenden Seitenkante des

hältnis zur Dielektrizitätskonstante der Luft) ist acht Masseleiters. Mit zunehmendem Verhältnis a_{ zu Z)₁

oder noch größer. und mit zunehmender Dielektrizitätskonstante ver-

F i g. 2 veranschaulicht die Feldverteilung eines 40 ringert sich die Impedanz des Wellenleiters. Wird

Hochfrequenzfeldes 19 einer auf die Leitung nach das Verhältnis σ, zu Zj₁ undoder wird die relative Di-

F i g. 1 gegebenen elektromagnetischen Welle. Das elektrizitätskonstante ;> kleiner, dann vergrößert sich

Hochfiequenzfcld verteilt sich zwischen der Mitte des die Impedanz. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau

leitenden Streifens 11 und den Masseleitern 15 und des Wellenleiters ist der Wellenwiderstand relativ

17. Die zur Grenze zwischen Luft und Dielektrikum 45 unabhängig von der Dicke des Trägers. Daher läßt

tangential verlaufende Feldkomponente ruft eine sich ein verlustarmes Dielektrikummaterial, wie

Diskontinuität in der tangentialen Verschiebung der Rutil, verwenden, was zu einer weiteren Verringerung

Stromdichte an der Grenzfläche zwischen dem dielek- der Abmessungen führt. Auch erlaubt die erfindungs-

trischen Träger 13 und der darüber befindlichen Luft gemäße Ausbildung den leichten Anschluß äußerer

hervor, so daß eine Axialkomponente des elektrischen 50 Parallelschaltungsek-mente, wie aktive Bauelemente

Feldes 19 entsteht. oder die Herstellung von Reihen- oder Parallelkapa-

Die Axialkomponente des magnetischen Feldes an zitäten.

der Grenzfläche liegt in Ausbreitungsrichtung. Die F i g. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Paar WeI-

gestrichelten Linien 21 in den F i g. 1 und 2 stellen lenleiter 35 und 36 auf einen Träger 25 hoher Di-

das magnetische Feld dar. Das magnetische Feld er- 55 elektr'zitätskonstante. Über dem dielektrischen Trä-

streckt sich längs beider Seiten des schmalen Leiters ger 25 ist eine Metallkappe 23 angeordnet, die mit

und läuft unter ihm hindurch. Da es eine Korn- den breiteren Masseleitcrn 27. 29 und 31 der Wellen-

ponente in Ausbreitungsrichtung hat, handelt es sich leiter 35 und 36 verbunden ist und sowohl als Schutz-

beim Ausbreitungsmechanismus nicht um einen rei- abdeckung wie auch als gemeinsame Massezuführung

nen TEM-Modc sondern um einen Quasi-TEM-Mode. 60 für die Wellenleiter dient. Der eine Wellenleiter 35

An Hand von F i g. 1 läßt sich sehen, daß in Vektor- besteht aus einem schmalen Leiter 37 und zwei brei-

richtung des magnetischen Feldes 21 gesehen, die teren Masseleitern 27 und 29, während der andere

magnetischen Feldvektoren (Pfeile 18 und 18') an Wellenleiter 36 aus einem schmalen Leiter 38 und

einer Stelle zu beiden Seiten des schmalen Leiters zwei breiteren Masseleitern 31 und 29 besteht. Wegen zwischen diesem und dem breiteren Masseleiter an 65 der großen Dielektrizitätskonstante des gemeinsamen

den Trcnnflächcn im gleichen Sinne elliptisch polari- Trägers 25 wird der größte Teil der Hochfrequenz-

siert erscheinen. _t energie im dielektrischen Träger konzentriert, und die

Wenn die relative Dielektrizitätskonstante r, des 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 .Mnem derartig aufgebauten Wellenleiter lassen sich viele Arten von Mikrowellen-Bauelementen herstellen. F i g. 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 Interesse 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 als ein einziger Viertel-Wellenlängen-Abschnitt verwendet werden. Die Anschlüsse 1 und 2 sind die Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüsse, und die Anschlüsse 3 und 4 sind die Koppel- und Richtleiteranschlüsse. Dem Eingangsanschluß 1 zugeführte Signale werden zum Teil unmittelbar auf den Ausgangsanschluß 2 geführt und zum anderen Teil über den Koppelbereich 49 zum Ausgangsanschluß 4 gekoppelt, ohne an den Anschluß 3 zu gelangen. In gleicher Weise werden dem Anschluß 2 zugeführte Signale zum Teil auf den Ausgangsanschluß 1 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 Ferrimagnetics«, von Lax und Button, McGraw-Hill 1962, beschrieben sind. Wie bereits angedeutet wurde, erscheinen die magnetischen Feldvektoren an der Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Luft zwischen dem schmalen Leiter und dem breiteren Masseleiter fast zirkularpolarisiert in gleichem Sinne auf gegenüberliegenden Seiten des schmalen Leiters. Breitet sich eine elektromagnetische Welle durch die Leitung in der einen Richtung 16 aus, dann ist die Zirkular-Polarisation der 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 zeigen 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 gyromagnetisches Material bezieht sich auf ferrimagnetische, ferromagnetische und antiferromagnetische Materialien, weiche das Phänomen aufweisen, das mit der Bewegung von Dipolen in diesen Materialien bei Vorhandensein eines magnetischen Gleichfeldes 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 welchem die Zirkular-Polarisation des magnetischen Feldvektors auftritt, wie F i g. 1 zeigt, und legt man ein magnetisches Gleichfeld zur Vorspannung dieses Materials an, dann lassen sich hiermit zahlreiche Typen reziproker und

ίο nicht-reziproker Mikrowellenbauelemente aufbauen.

F i g. 6 zeigt einen Resonanzrichtleiter oder einen

Differenzphasenschieber unter Verwendung eines Wellenleiters der vorbeschriebenen Art. Er enthäll einen schmalen streifenförmigen Leiter 51 und zwei breitere ebene Masseleiter 52 und 53, wie sie im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben sind, auf einem dielektrischen Träger 55, dessen relative Dielektrizitätskonstante f_r mindestens acht (im Vergleich zui Dielektrizität der Luft) ist. Der schmale Leiter 51 und die breiteren ebenen Masseleiter 52, 53 (die mehl als zweimal so breit sind) sind im Abstand, in einei Ebene und parallel zueinander angeordnet.

Gyromagnetisches Material 54, 56, wie beispielsweise Ferrit oder Granat ist an der Grenzfläche zwischen Luft und Dielektrikum zwischen dem schmalen Leiter 51 und jedem der breiteren Masseleiter 52, 53 vorgesehen. Rechtwinklig zur Ebene dei Zirkular-Polarisation der magnetischen Feldvektoren wird ein positives magnetisches Gleichfeld längs dei coplanaren Oberflächen angelegt, welches in F i g. (· durch den Pfeil 5 veranschaulicht ist.

Wenn die Größe oder Feldstärke des magnetischen Gleichfeldes in Richtung des Pfeiles 57 so groß ist. daß die natürliche Präzessionsfrequenz (der Materialmoleküle) mit der Frequenz des Mikrowellensignals zusammenfällt, dann ergibt sich eine Resonanz füi die positive Permeabilität (μ + ), welche der positiven Zirkular-Polarisation zugeordnet ist, während für die negative Zirkular-Polarisation keine Resonanz eintritt.

Signale, die sich in einer Richtung 58 durch das Bauelement ausbreiten, erfahren wenig oder keine Dämpfung, da in dieser Richtung die Permeabilität negativ ist (μ —), 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 Richtlcitei hatte beispielsweise einen Titandloxyd (T₍O₂)-Trägei von 0,635 mm Dicke und mit einer Dielektrizitäts-

so konstante von etwa 130; die Breite des schmaler streifenförmigen Mittel-Leiters betrug 0,762 mm, dei Zwischenraum zwischen diesem Mittel-Leiter und den breiteren ebenen Masseleitern betrug ebenfall? 0,762 mm. 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 mm dick und 15.24 mm lang und bestanden aus Granat der Bezeichnung G 1000 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 WeI-

lenleiter ausbreiten (Kurve 61). Für eine Ausbreitung in der entgegengesetzten Richtung 20 ist die Signaldämpfung bei 6 GHz praktisch vernachlSssigbar, wie Kurve 62 zeigt.

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Μ,Ί

9 10 *

Wird die Stärke des magnetischen Gleichfeldes legen einer magnetischen Gleichvorspannung in Pfeil-

so gewählt, daß das gyromagnetische Material ober- richtung 79 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und

halb oder unterhalb seiner Resonanz in Pfeilrichtung längs der Oberfläche des Trägers mit einer FeId-

57 oder in entgegengesetzter Richtung vorgespannt stärke, die ausreicht, um die Platte 78 oberhalb oder

wird, dann liefert das in F i g. 6 dargestellte Bauele- 5 unterhalb ihrer Resonanz vorzuspannen, arbeitet das

ment eine differtielle Phasenverschiebung zwischen Bauelement als nicht-reziproker Phasenschieber we-

den sich in einer Richtung 59 und den sich in der gen des Permeabilitätsunterschiedes für die beiden

entgegengesetzten Richtung 58 ausbreitenden Signa- entgegengesetzten Wellenausbreitungsrichtungen 80

len, weil die effektiven Permeabilitäten für die sich und 81.

in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ausbreitenden io Wenn das Produkt der Dicke T₁ und der Dielektri-

Wellen unterschiedlich sind. zitätskonstante E₁ des Trägers, wie er in F i g. 9 dar-

Das in F i g. 6 dargestellte Bauelement läßt sich als gestellt ist, im wesentlichen gleich dem Produkt der

reziproker Phasenschieber oder Richtleiter betreiben, Dicke f₂ und der Dielektrizitätskonstante ε., der gyro-

wenn man die Stücke des gyromagnetischen Materials magnetischen Platte 78 gemacht wird (F₁J₁ = i₂/₂),

54, 55 für den Fall eines reziproken Phasenschiebers 15 dann kann man dieses Bauelement als reziproken

oberhalb oder unterhalb der Resonanz, für den Fall Phasenschieber betreiben. Bei Anlegen eines magne-

eines Richtleiters bei Resonanz vorspannt, in dem tischen Gleichfeldes einer solchen Feldstärke, daß

man ein magnetisches Gleichfeld in den durch die der Ferrit oberhalb oder unterhalb der Resonanz

Pfeile 60 angedeuteten Richtungen anlegt. vorgespannt wird, dann erfahren die in einer Rich-

Ein nach dem Prinzip der Feldverdrängung arbei- 20 tung durch den Wellenleiter wandernden Signale die tender Richtleiter läßt sich mit der Anordnung nach gleiche Phasenverschiebung wie in entgegengesetzter F i g. 6 herstellen, wenn man gemäß F i g. 8 oberhalb Richtung durch den Wellenleiter laufende Signale, des Trägers 63 zwischen dem schmalen streifenför- Ein Differenzphasenverschieber gemäß F i g. 9 ist migen Leiter 64 und den breiteren Masseleitern 65 aufgebaut worden mit einem Träger von 0,508 mm und 66 Streifen 67 und 68 aus Material niedriger 25 Dicke und einer relativen Dielektrizitätskonstante von Dielektrizitätskonstante, wie Polytetrafluoräthylen, ε_χ ungefähr 130. Die gyromagnetische Platte 78 vorsieht. Oberhalb dieser Stücke 67 und 68 werden oberhalb der Leiter war 0,127 mm dick, 5,08 mm Filme 69 und 70 aus Widerstandsmaterial wie Kohle breit und 15,24 mm lang. Sie bestand aus Granat mit angeordnet, über denen wiederum Streifen aus gyro- einer relativen Dielektrizitätskonstante t_r von etwa 15. magnetischem Material 70 und 71 vorgesehen wer- 30 Kurve 85 in Fig. 10 läßt erkennncn, daß eine den. Der Kohlefilm auf der Innenfläche des gyro- diflerentielle Phasenverschiebung von mehr als 40° magnetischen Materials absorbiert Energie, wenn sich für einen solchen Phasenschieber auftritt, wenn er in die Felder in das gyromagnetische Material hinein zu- einem Frequenzbereich von 5 bis 7 GHz betrieben sammendrängen. Die höhere Permeabilität für die wird und mit einem magnetischen Gleichfeld von Signalausbreitung in Vorwärtsrichtung längs des 35 1215 Oe vorgespannt wird. Als nicht-reziproker Reschmalen Leiters 64 führt zu einer größeren Feldzu- sonanzrichtleiter laßt sich die Ausführungsform nach sammendrängung in dem gyromagnetischen Material F i g. 9 betreiben, wenn das Ferritmaterial in Pfeilals es für eine Signalausbreitung in der entgegenge- richtung 79 mit einem magnetischen Feld so vorgesetzten Richtung längs des Leiters 64 der Fall ist. spannt wird, daß das Material der Platte 78 sich Auf diese Weise wird keine nennenswerte Energie aus 40 bei der Betriebsfrequenz in Resonanz befindet,
einer in Gegenrichtung laufenden Welle absorbiert, Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf ein Resonanz- und nennenswerte Verluste treten nur in Vorwärts- Bandpaßfilter 90, welches nach den Lehren der Erfinrichtung auf. dung aufgebaut ist. Ein schmaler streifenförmiger

F i g. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Leiter 91 und breitere ebene Masseleiter 92 und 93 nicht-reziproken Phasenschiebers oder nicht-rezi- 45 sind parallel im Abstand und miteinander ausgcrichproken Richtleiters. Ein schmaler streifenförmiger let auf einem dielektrischen Träger 86 angeordnet. Leiter 74 und breitere Masseleiter 75 und 76 sind Der schmale Mittel-Leiter 91 ist in seinem Verlauf an einem Träger 77 relativ hoher Dielektrizitätskon- geknickt, und dieser Knickteil 99 ist mit einem Teil stante zur Bildung des gewünschten Wellenleiters be- des breiteren Masseleiters 92 verbunden. Der Leiter festigt. Eine Platte 78 aus gyromagnetischem Ma- 5° 93 weist an der Knickstelle einen Vorsprung auf, so terial, wie Ferrit, ist oberhalb und in diesem Falle daß für den schmalen Leiter 91 ein Masseleiter und über den Leitern 74, 75 und 76 angeordnet. Dieses eine Impedanzanpassung vorliegt. Bauelement wird einem in Pfeilrichtung 79 verlau- Der Knick des Mittel-Leiters 91 ist so ausgebildet, fenden magnetischen Gleichfeld ausgesetzt. Für den daß seine Teile 97 und 98 nahe dem Verbindungs-Fall eines Differentialphasenschiebers oder eines 55 punkt 99 rechtwinklig zueinander verlaufen. Eine nicht-reziproken Resonanzrichtleiters ist das Produkt Kugel 95 aus gyromagnetischem Material, wie der Trägerdicke /, mit der Dielektrizitätskonstante 1 ₁ Yttrium-Eisen-Granat, ist neben dem Verbindungs· des Trägers 77 wesentlich größer als das Produkt der punkt 99 angeordnet, wo der schmale Leiter mit derr Gesamtdicke f., und Dielektrizitätskonstante f₂ des Masseleiter 92 verbunden ist, und zwar zwischen der gyromagnetischen Ferritmatcrials (ε,/, > e_tt₂), so daß 60 Teilen 97 und 98 des Leiters 91. In Pfeilrichtung 9' das zirkularpolarisierte Magnetfeld im wesentlichen wird ein magnetisches Gleichfeld angelegt, welche neben der Oberfläche des Trägers im gyromagne- rechtwinklig zur Ebene des Trägers 86 verläuft um tischen Material begrenzt ist. auf den Betrachter gerichtet ist. Die Feldstärke diese

Für eine vorgegebene Dicke des Trägers und des magnetischen Feldes ist so gewählt, daß das Yttrium

gyromagnetischen Materials soll die Dielektrizitäts- 65 Eisen-Granat-Material bei der Mitte der Betriebs

konstante des Trägermaterials 77 wesentlich größer frequenz nahe seiner Resonanz liegt,

als der doppelte Wert der Dielektrizitätskonstanten Bei Anlegen von Signalen an das Bauelement i

der gyromagnetischen Materialplattc 78 sein. Bei An- Richtungen der Pfeile 96 und 96a besteht nur weni

11 12

oder keine Kopplung zwischen den Teilen 97 und 98 Materialien beschriebenen aufgebaut werden können, des Leiters 91 für Signale außerhalb der Mittenfre-. Halbleiterbauelemente oder andere stromgesteuerte quenz. Lediglich bei Signalen mit der Resonanzfre- Bauelemente lassen sich leicht an den Wellenleiter, quenz koppelt die Ferritkugel 95 Energie zwischen wie er in den F i g. 1 und 2 beschrieben ist, anden beiden rechtwinkligen Teilen 97 und 98 des Lei- 5 schließen, da sich der schmale Mittel-Leiter und der ters 91. Die Mittenfrequenz des durchgelassenen Masseleiter auf derselben Oberfläche des Trägers beBandes kann durch Änderungen der Größe der ma- finden. Beispielsweise ist in Fig. 12 eine Gleichrichgnetischen Gleichvorspannung variiert werden. Auf terschaltung angegeben, welche eine Diode 101 aufdiese Weise lassen sich sowohl Resonanz-Bandpässe faßt, die zwischen den Masseleiter 102 und dem als auch Sperrfilter realisieren. Solche Filter lassen io schmalen Leiter 103, die sich beide auf derselben sich wegen der Breitbandeigenschaften des erfin- Seite des dielektrischen Trägers 105 befinden, gedungsgemäßen Wellenleiters in einem weiten Bereich schaltet ist.
abstimmen. Die hier beschriebenen Wellenleiter lassen sich

Außer den vorstehend beschriebenen Bauelemen- gleichfalls zum Aufbau nicht-reziproker Verbindungs-

ten lassen sich auch einfache Bauelemente, wie sie 15 elemente, beispielsweise Zirkulatoren, verwenden, in

in der Wellentechnik bekannt sind, aufbauen, bei- dem man eine Mehrzahl von Wellenleitern in einem

spielsweise λ/4-Transformatoren und Resanatoren. gemeinsamen Flächenbereich zusammenschaltet und

Auch lassen sich Halbleitermaterialien bei nach magnetisch vorgespanntes gyromagnetisches Maden F i g. 1 und 2 aufgebauten Wellenleitern ver- terial in diesem Bereich anordnet. Hierzu sei beiwenden, so daß diese Bauelemente bei einer Vorspan- 20 spielsweise auf den Abschnitt 12-8 des erwähnter nung durch ein äußeres magnetisches Gleichfeld ahn- Buches »Microwave Ferrites and Ferrimagnetics< Hch den in Verbindung mit den gyromagnetischen verwiesen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

14. Rcsonanz-Bundpaßfilter unter Verwendung eines Wollenleiters nach den Ansprüchen 1 und 2, duclurch gekennzeichnet, dnß die Leiter (91, 92, 93) so bemessen und angeordnet sind und die Dicke und die Dielektrizitätskonstante des Tra1-gcrs (86) so gewählt sind, daß beim Anlegen einer elektromagnetischen Welle das zwischen dem schmalen Leiter (91) und den ebenen Masseleitern 92, 93) entstehende Feld ferner Feldvektoren (18) aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des jq schmalen Leiters in Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle la'ngs der Oberfläche des Leiters gesehen praktisch zirkulär im gleichen Sinne polarisiert sind, und daß der schmale Leiter (91) eine Biegung (97, 98) aufweist und an einem Punkt (99) der Biegung mit dem ersten ebenen Masseleiter (92) verbunden ist, und daß ein Körper (95) aus einem Material, welches bei Anlegen eines Süßeren magnetischen Gleichfeldes einen gyromagnetischen Effekt zeigt, angrenzend an Teile des schmalen Leiters (91) auf der gegenüberliegenden Seite des Verbindungspunktes (99) vorgesehen ist, 15. Wellenleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Masseleiter parallel zu dem schmalen Leiter, oder bei mehreren schmalen Leitern parallel zu diesen angeordnet sind. 30 Die Erfindung geht aus von einem Wellenleiter mit einem dielektrischen Träger, auf dessen Oberfläche mindestens ein schmaler streifenförmiger Leiter und im Abstand daneben ein mehr als doppelt so breiter, flächiger Masseleiter in gleicher Ebene derart angeordnet ist, daß das elektrische Feld einer elektromagnetischen Welle hauptsächlich auf den Raum zwischen den beiden Leitern beschränkt ist. 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 integrierter Technik ausgebildete Mikrowellenleitungen bestehen aus einem einzigen dielektrischen Träger, auf dessen einer Seite ein schmaler, streifenförmiger Leiter angeordnet ist, während sich auf der gegenüberliegenden Seite des Trägers ein ebener Masseleiter befindet. Hierbei ist es erforderlich, das leitende Material auf beiden Seiten des Trägers zu befestigen. Die Masseebene auf der gegenüberliegenden Seite des dielektrischen Trägers ist dabei relativ schwer zuganglieh für Parallelverbindungen, die bei vielen aktiven 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 schwer-Λviegender Nachteil bei Anwendungen für relativ niedrige Frequenzen, bei welchen die Baugröße ein wichtiger Faktor ist. Ferner eignen sich die vorhandenen Mikrowellenbauelemente, die im TEM-Mode arbeiten, nicht zur Herstellung einer ganzen Anzahl nicht-resiproker magnetischer Bauelemente wie z. B. Richtleiter oder DllTerenzphascnschieber, welche sich mit Wellenleitern aufbauen lassen. Ein weiterer Nachteil bekannter Wellenleiter und auch einiger nicht abgeschlossener wenig 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. Es ist auch ein Wellenleiter der eingangs beschriebenen Art bekannt (britische Patentschrift 856 889), bei dem der dielektrische Träger aus dem für die üblichen gedruckten Schaltungen verwendeten Basismaterial besteht. Die relative Dielektrizitätskonstante dieses Materials ist klein und hat gewöhnlich nur einen Wert von 2 oder 3. Der bekannte Wellenleiter mit diesem Trägermaterial eignet sich nur für Frequenzen bis etwa 300 MHz und bringt bei Mikrowellenbetrieb (d. h, bei Frequenzen über 1 GHz) erhebliche Verluste. Bei dem bekannten Wellenleiter kann zwar durch breite Ausführung des Masseleiters das elektrische Feld möglichst auf den Raum zwischen den Leitern begrenzt bleiben, so daß Hochfrequenzverluste durch Abstrahlung etwas verringert, werden. Um jedoch auch die Leitung für höhere Frequenzen geeignet zu machen, müßte man zusätzlich den Abstand zwischen den Leitern so gering machen, daß die Leitung schwer und nur unter hohen Kosten herstellbar ist. Außerdem hätte diese Maßnahme einen sehr niedrigen Wellenwiderstand zur Folge, und die dadurch bei Übertragung eines gegebenen Leistungspegels fließenden großen Ströme würden zu hohen Leistungsverlusten in der Leitung führen. Darüber hinaus hätte eine solche Leitung den Nachteil verhältnismäßig niedriger Überschlagsspannungen. Es ist die Aufgabe der Erfindung, zur Verkleinerung der Abstrahlungsverluste bei Wellenleitern, d. h. zur Verlegung des Hauptanteils des elektrischen Feldes in den Zwischenraum zwischen den Leitern, einen Weg anzugeben, bei dem der Abstand zwischen den Leitern auch für hohe Frequenzen verhältnismäßig breit gehalten werden kann. Diese Aufgabe wird bei einem Wellenleiter der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die relative Dielektrizitätskonstante des Trägermaterials mindestens den Wert acht hat und daß die Dicke des Trägers mehr als zweimal so groß ist wie der Abstand zwischen den Leitern. Durch die erfindungsgemäße Wahl eines Trägers mit hoher Dielektrizitätskonstante und ausreichender Dicke wird die Feldverteilung so beeinflußt, daß auch bei Frequenzen im Mikrowellenbereich ein größerer Abstand zwischen den Leitern möglich ist, ohne daß ernsthafte Abstrahlungsverluste in Kauf genommen werden müssen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Wellenleiters nach der Erfindung, F i g. 2 einen Schnitt durch den in F i g. 1 dargestellten Wellenleiter, Fig. 3 den Wellenwiderstandsverlauf des in den F i g. 1 und 2 dargestellten Wellenleiters in Abhängigkeit vom Verhältnis bestimmter Abmessungen, F i g. 4 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform des in F i g. 1 dargestellten "Wellen- Patentansprüche:

1. Wellenleiter mit einem dielektrischem TrIiger, auf dessen Oberfläche mindestens ein schmaler streifenförmiger Leiter und im Abstand daneben ein mehr als doppelt so breiler, flächiger Massoleiter in gleicher Ebene derart angeordnet ist, daß das elektrische Feld einer elektromagnetischen Welle hauptsächlich auf den Raum zwischen den beiden Leitern beschränkt ist, d a durch gekennzeichnet, daß die relative Dielektrizitätskonstante (e_f) des Triigermaterials (13) mindestens den Wert acht hat und daß die Dicke des Trägers mehr als zweimal so groß ist wie der Abstand zwischen den Leitern (11, 15 bzw. 11, 17).

2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher ebener Masseleiter (17), der ebenfalls mehr als doppelt so breit wie der schmale streifenförmige Leiter (11) ist, ao auf der dem ersten Masseleiter (15) gegenüberliegenden Seite des schmalen, streifenförmigen Leiters (11) im Abstand und in einer Ebene neben diesem Leiter (11) auf derselben Oberfläche des Trägers (13) angeordnet ist, derart, daß bei Anlegen einer elektromagnetischen Welle eine Magnetfeldkomponente in Ausbreitungsrichtung der Welle ensteht.

3. Wellenleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch 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 Masseleiier (15, 17) 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.

4. Wellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem gyromagnetischen Körper (67, 68) ein Stück Widerstandsmaterial (69, 70) angeordnet ist.

5. Wellenleiter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gyromagnetische Körper (67, 68) auf der erwähnten großen Oberfläche des dielektrischen Trägers (13) angeordnet ist.

6. Richtungskoppler unter Verwendung von so Wellenleitern nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Wellenleiter so angeordnet sind, daß der schmale Leiter (42, 43) jedes Leiters mit einem Abschnitt in dichtem parallelem 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.

7. Richtungskoppler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jedes Abschnittes (49) bei der Betriebsfrequenz des Kopplers ein ungerades Vielfaches einer Viertel-Wellenlänge ist.

8. Wellenleiter nach einem der Ansprüche I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blau oder eine Platte (78) aus einem Material, welches bei Anlegen eines äußeren magnetischen Gleichfeldes einen gyromagnetischen Effekt zeigt, libei dem schmalen Leiter (74) und den Masseleiterr (75, 76) angeordnet 1st und daß Mittel zum Anlegun eines äußeren magnetischen Gleichfeldes an die Platte (78) zur Erzeugung einer Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der angelegten Welle vorgesehen sind.

9. Wellenleiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 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.

10. Wellenleiter nach Anspruch 9, 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 (78) ist.

11. Wellenleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragene Welle eine magnetische Feldkomponentc 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.

12. Wellenleiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Körper aus gyromagnetischem Material auf dem Träger zwischen dem schmalen, streifenförmigen Leiter und einem der ebenen Masseleiter angeordnet ist und daß Mittel zur magnetischen Vorspannung dieses Körpers mit einem äußeren magnetischen Gleichfeld senkrecht zur Ebene der Zirkular-Polarisation und längs der Oberfläche des Trägers vorgesehen sind.

13. Richtleiter unter Verwendung eines Wellenleiters nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (51, 52, 53) so bemessen und angeordnet sind und die Dicke und die Dielektrizitätskonstante des Trägers (55) so gewählt sind, daß beim Anlegen einer elektromagnetischen Welle, das zwischen dem schmalen Leiter (51) und den ebenen Masseleitern (92, 93) entstehende Feld ferner Feldvektoren (18) aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des schmalen Leiters in Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle längs der Oberfläche des Leiters gesehen praktisch zirkulär im gleichen Sinne polarisiert sind, und daß ein Körper (54, 56) aus einem Material, welches bei Anlegen eines äußeren magnetischen Gleichfeldes gyromagnetische Resonanzerscheinungen zeigt, auf der Oberfläche des Trägers zwischen dem schmalen Leiter 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.