DE2326359C3 - Breitbandzirkulator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zirkulator nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Breitbandzirkulator einfacher Konstruktion zur Erhöhung der Arbeitsenergie bei Gleichphasenerregung ist durch die US-PS 35 51 853 bekanntgeworden. Weiter ist durch die DE-PS 19 49 856 ein Breitbandisolator bekanntgeworden, der mit dem obenerwähnten Breitbandzirkulator arbeitet. Bei diesen bekannten Schaltungen arbeitet man zur Vergrößerung des Arbeitsfrequenzbandes mit einem einzigen Serienresonanzkreis, der zwischen einem äußeren und einem geerdeten Leiter des Zirkulators angeschlossen ist. Eine Induktivität des Resonanzkreises ist an den geerdeten Leiter angeschlossen. In der Praxis ergibt sich eine Beschränkung dadurch, daß der Platz für die Serienresonanzschaltung äußerst begrenzt ist, da zur wirksamen Steigerung der Gleichphasenerregungsenergie der Serienresonanzkreis zwischen entsprechende Punkte der Mittelachse des Zirkulators sowohl am geerdeten Leiter als auch am äußeren Leiter des Zirkulators angeschlossen werden muß. Außerdem ist es erforderlich, daß den auf beiden Seiten des inneren Leiters angeordneten Ferritplatien ein gleichbleibendes Magnetfeld zugeführt wird. Um dies zu erreichen, muß der Platz für die erwähnte Resonanzschaltung so kompakt als möglich Ein weiterer Nachteil des bekannten Breitbandzirkulators besteht darin, daß seine Eigenschaften sehr stark von der Stelle abhängen, an der der Serienresonanzkreis angeschlossen ist

Ie nach Lage des Serienresonanzkreises kann die Symmetrie der Eigenschaften beträchtlich verzerrt sein. Zur Erzielung eines Breitbandzirkulators mit guten Eigenschaften muß deshalb die Lage für das Resonanzsystem sorgfältig ausgewählt werden, damit der symmetrisehen Anordnung gegenüber sämtlichen, anregenden Eingangsöffnungen Genüge getan wird. Bei den bekannten Schaltungen mit einem einzigen Resonanzsystem ist die symmetrische Zuordnung jeder erregenden Eingangsposition nur sehr schwer zu realisieren. Ebenso hat sich eine geeignete Konstruktion, die diesen Anforderungen genügen könnte, im Hinblick auf die erforderliche Miniaturisierung der Einrichtung als nicht praktikabel erwiesen.
Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, den Serienresonanzkreis des Zirkulators hinsichtlich seiner Symmetrieeigenschaften zu verbessern, wobei gleichzeitig eine Miniaturisierung und Massenproduktion des Zirkulators möglich sein soll.
Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Ersatzschaltbild eines Breitbandzirkulators bekannter Art,

F i g. 2 eine schemalischc Darstellung zum Aufbau eines derartigen Breitbandzirkulators nach F i g. 1,
F i g. 3 ein Ersatzschaltbild eines Breitbandzirkulators gemäß der Erfindung,

Fig.4 eine schematische Darstellung zum Aufbau des Breitbandzirkulators,

F i g. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Eigenschaften eines bekannten Breitbandzirkulators,

Fig.6 ein Diagramm zur Erläuterung eines Breitbandzirkulators gemäß der Erfindung,

F i g. 7 einen vereinfachten Querschnitt zur Darstellung des Konstruktionsprinzips des Breitbandzirkulators gemäß der Erfindung,

F i g. 8 ein Ersatzschaltbild einer Resonanzschaltung, die in dem erfindungsgemäßen Zirkulator verwendet wird, und

Fig.9 eine praktische Ausführungsform eines im erfindungsgemäßen Zirkulator verwendeten Resonanzsystems, links in einer vertikalen Ansicht und rechts in der Draufsicht.

Es wird zunächst ein Breitband- K-Zirkulator bekannter Art nach den eingangs genannten Patentschriften erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild und F i g. 2 eine schematische Ansicht eines typischen Aufbaus eines solchen K-Zirkulators. Der Zirkulator besitzt drei koaxiale Speiseanschlüsse 1, 2, 3, rotationssymmetrisch angeordnet. Zur Vereinfachung sind in Fig.2 lediglich die beiden Anschlüsse 1 und 2 gezeigt. In F i g. 2 erkennt man in der Mitte einen Punktelementteil LE, welcher als Zirkulator arbeitet. Der Punktelementteil LE besitzt einen inneren Leiter 4, der aus den vermaschten Leitern dreier Leitergruppen besteht, wovon jede mindestens zwei parallele

b5 Leiter umfaßt, die von einem der drei koaxialen Speiseanschlüssc 1,2 und 3 ausgehen und an der gegenüberliegenden Wand eines äußeren Leiters 6 des Punktclcmentteils LEenden. Diese Gruppe von Leitern schnei-

det bei einem V-Zirkulator mit drei Anschlüssen eine andere Gruppe in einem Winkel von 120°. Die Kreuzungspunkte sind gegenüber der Oberfläche von zwei Ferritplatten 5 gleichmäßig verteilt Zur Vermeidung von Kurzschlüssen sind die sich kreuzenden Leiter in den Kreuzungspunkten außerdem isoliert. Jeder Speiseanschluß 1,2,3 liegt an einer Seite des Kondensators C, dessen andere Seite mit dem äußeren Leiter 6 verbunden ist Die Kondensatoren C sollen die Permeabilität der FerritpteUen 5 annähernd gleichförmig ändern. Der äußere Leiter 6 des nicht reziproken Punktelementteils LE ist von einem geerdeten Leiter 7, der das Gehäuse oder die Abstützung der Vorrichtung bildet, gleichstrommäßig isoliert Zwischen äußerem Leiter 6 und geerdetem Leiter 7 liegt ein Serienresonanzkreis LsCs aus einer Reihenschaltung eines Kondensators Cv und einer Induktivität Ls- Die Serienresonanzschaltung LsCs schwingt zur Erweiterung des Freqenzbandes mit einer Mittenfrequenz des Arbeitsfrequenzbande;; des Zirkulators. Zwei Permanentmagnete 8 erzeugen an den Ferritplatten 5 ein konstantes Magnetfeld.

Gemäß F i g. 1 bilden an die koaxialen Speiseanschlüsse 1, 2 bzw. 3 angeschlossene Kondensatoren C und Induktivitäten L die Elemente des Punktelementteils LE Der Serienresonanzkreis LsCs ist annähernd auf die Mitte des Zirkulatorarbeitsfrequenzbereichs abgestimmt.

Ein solcher bekannter Breitbandzirkulator hat den Nachteil, daß der Resonanzkreis LsCs zur Verbreiterung des Frequenzbandes zwischen einem Punkt des äußeren Leiters 6 und einem Punkt des geerdeten Leiters 7 angeschlossen ist Infolge dieser einzigen Verbindung des Resonanzkreises Li-Cs hängen die Eigenschaften des Zirkulators sehr stark von der Lage dieser Verbindung ab.

Das Diagramm nach F i g. 5 zeigt die Vorwärts- und Rückwärts-Verluste und das Stehwellenverhältnis in Abhängigkeit von der Zirkulatorfrequenz der bekannten Einrichtung. Wie aus F i g. 5 zu erkennen ist, schwanken, da der Resonanzkreis zwischen einem Punkt des äußeren Leiters und einem Punkt des geerdeten Leiters angeschlossen ist, wenn die Punkte außerhalb der Mittelachse des Zirkulators liegen, dessen Eigenschaften sehr stark abhängig von der Stelle der Erregung. Das bedeutet, daß die Symmetrierung der Eigenschaften bezüglich der Speiseanschlüsse entsprechend der Lage dieser Punkte stark gestört ist. In F i g. 5 sind die Eigenschaften an den koaxialen Speiseanschlüssen i durch die Kurve A, an den Anschlüssen 2 und 3 durch die Kurve B und an den Anschlüssen 3 und 1 durch die Kurve C dargestellt.

Zur Verbesserung der Symmetrieeigenschaften eines Zirkulators gemäß der Erfindung wird mindestens eines der Schaltungselemente Ls und Cv in der Reinenresonanzschaltung für eine Frequenz annähernd in der Mitte des Arbeitsfrequenzbereichs des Zirkulators in mehrere Schaltungselemente unterteilt und jedes so abgeteilte Schaltungselement zwischen äußerem Leiter und geerdetem Leiter des Zirkulators so angeschlossen, daß man eine rotationssymmetrische Anordnung erhält. w>

Das Prinzip der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die F i g. 3 und 4 erläutert.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Ausführungsform der firfindung, bei der das kapazitive Element Cv gemeinsam vorhanden ist und das induktive Element in b^r> drei Elemente Ls, Ls" und Ls" unterteilt ist. Fig. 4 zeigt eine stark vereinfachte Ansicht des Zirkulators naoh F i p. 3

Bei dieser Ausführungsform ist die Gesamtresonanzfrequenz des Resonanzsystems aus den drei unterteilten Resonanz-Schaltungselementen so groß wie die Resonanzfrequenz des ursprünglichen Breitbandzu-kulators mit ungeteilten Resonanz-Schaltungselementen zu wählen. Dementsprechend ist der Wert jedes induktiven Elements und des kapazitiven Elements so zu wählen, daß die obige Bedingung bezüglich der Resonanzfrequenzen erfüllt ist

Eine praktische Ausführungsform eines Breitbandzirkulators gemäß dem Ersatzschaltbild nach F i g. 3 ist in F i g. 7 schematisch angedeutet

F i g. 6 zeigt den charakteristischen Frequenzverlauf der Übertragungsverluste und der Stehwellenverhältnisse einer nichtreziproken Schaltung unter Verwendung eines Breitbandzirkulators gemäß der Erfindung mit drei Anschlüssen. Die Kuven Λ, B bzw. C entsprechen den Eigenschaften zwischen den Anschlüssen 1 —2, 2—3 bzw. 3—1, wie schon bei Fig.5 angegeben. Der Vergleich von Fig.6 mit Fig.5 zeigt, daß die Symmetrie des erfindungsgemäßen Zirkulators sowohl hinsichtlich des Frequenzverlaufs der Verluste als auch der Stehwellenverhältnisse der bekannten Einrichtung überlegen ist.

Die bisherige Beschreibung bezog sich auf einen Y-Zirkulator mit drei Anschlüssen. Entsprechend gilt das Prinzip der Erfindung für eine abweichende Anzahl von Anschlüssen mit symmetrischen Zirkulatoreigenschaften.

F i g. 7 zeigte eine Ausführungsform eines Breitbandzirkulators mit einem Ersatzschaltbild nach F i g. 3.

Der erfindungsgemäße Breitbandzirkulator, insbesondere der Resonanzkreis, läßt sich bequem als gedruckte Schaltung oder nach einem anderen, für Massenfertigung geeigneten Verfahren herstellen. Der Breitbandzirkulator kann durch Ausführung als gedruckte Schaltung bzw. nach einem anderen Verfahren miniaturisiert werden und ist dann in vielen Fällen anwendbar.

In F i g. 7 ist ein als Zirkulator arbeitendes, nichtreziprokes Teil 10 aus magnetischen Materialien, wie beispielsweise Ferritplatten, und inneren Leitern dargestellt. Das nichtreziproke Teil 10 ist innerhalb eines äußeren Leiters Jl untergebracht. Man erkennt ferner ein Joch 12 eines Permanentmagneten 13, ein Substrat oder eine Basisplatte 14 für den Anschluß des inneren Leiters und ein Resonanzsystem 15, dessen Ersatzschaltung in F i g. 8 gezeigt ist, während F i g. 9 hierzu eine Ausführungsform zeigt.

Das Resonanzsystem wird vorzugsweise gegenüber der Mittelachse des Zirkulators rotationssymmetrisch ausgeführt, damit man die Symmetrie der Zirkulatoreigenschaften erhält, und auch mit Rücksicht auf die Produktion. Die verschiedenen Schaltungselemente sind deshalb gegenüber der Mittelachse des Zirkulators rotationssymmetrisch angeordnet, und auch die Verbindungen liegen auf rotationssymmetrischen Punkten. Aus dem gleichen Grund kann auch der äußere Leiter 11 vorzugsweise rotationssymmetrisch angeordnet werden.

F i g. 9 zeigt eine Ausführungsform des Resonanzsystems /ur Anwendung in einem Breitband- V-Zirkulator gern?!} der Erfindung. Das Resonanzsystem ist auf einem isolierenden Substrat 19 mit kleinen dielektrischen Verlusten aufgebaut. Eine gegenüberliegende Elektrode 16 auf dem isolierenden Substrat 19 gegenüber einem geerdeten Leiter auf der anderen Seite bildet einen kaoazitiven Abschnitt Cv. Drei Streifen- oder Bandlei-

tungsabschnitte 17 verlaufen von der Elektrode 16 radial in drei Richtungen, sind in Richtung des Um längs gebogen und bilden den induktiven Abschnitt L_s (Ls', Ls", Ls"). Diese Resonanzsysteme kann man auf sehr einfache Weise durch Aufdampfung herstellen. 5 Dies gestattet die Herstellung des miniaturisierten Breitbandzirkulators in Massenfertigung.

Die Verbindungsabschnitte 18 zum geerdeten Leiter auf der anderen Seite des isolierenden Substrats 19 sind ebenfalls in F i g. 9 dargestellt. Indem man die Elektrode 10 16 oder Streifenleiter 17 auf beiden Seiten des isolierenden Substrats 19 vorsieht und diese Elektroden oder Streifenleiter durch Löcher in dem Substrat 19 miteinander verbindet und hierauf eine Anzahl solcher Substrate zusammenfügt, kann man erforderlichenfalls; die 15 Kapazität oder Induktivität des Resonanzsystems erhöhen.

Man erhält somit gemäß der Erfindung einen Zirkulator mit breitem Frequenzband mit den gewünschten Eigenschaften im Durchlaßband des Zirkulator, indem man das Resonanzsystem in mehrere Abschnitte oder Elemente unterteilt, die zwischen dem äußeren und dem geerdeten Leiter angeschlossen werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Seite des Resonanzsystems sehr nah an einem Zirkulatoranschluß angebracht werden kann. Durch diesen zweiten Vorteil wird die Justierung des Verbindungspunktes sehr einfach, was wiederum die Einjustierung der Eigenschaften bei der Herstellung der Einrichtung erleichtert und Fertigungskosten erspart.

Die gesamte Einrichtung läßt sich sehr flach ausführen. Das Resonanzsystem wird dabei mit seinen kapazitiven und induktiven Abschnitten mittels Druck- oder Aufdampfverfahren hergestellt, so daß man einen zur Massenfertigung geeigneten, miniaturisierten Breitbandzirkulator erhält.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Zirkulator mit breitem Frequenzband, mit mehreren Anschlußöffnungen, von weichen jeweils innere Leiter zu einem Verbindungsteil der inneren Leiter führen, einem äußeren Leiter, wenigstens einem zwischen dem Verbindungsteil und dem äußeren Leiter angeordneten belastenden Ferritkörper, der sich in einem steuernden magnetischen Gleichfeld befindet, einem geerdeten Leiter, auf welchem der äußere Leiter angebracht und gegenüber dem geerdeten Leiter gleichstrommäßig isoliert ist und einem zwischen dem äußeren und dem geerdeten Leiter angeschlossenen Serienresonanzkreis, der auf die Mitte des Arbeitsfrequenzbereiches des Zirkulators abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufteilung des Serienresonanzkreises in mehrere Teilresonanzkreise auf einem isolierenden Substrat (19) ein zentraler Leiterabschnitt (16) zur Bildung des Kondensators des Serienschwingkreises ausgebildet ist, der einem geerdeten Leiter gegenüberliegt, und von welchem zur Bildung von Einzelinduktivitäten (Ls) Bandleitungsabschnitte in radialer Richtung verlaufen, die jeweils in einen bogenförmigen Bandleitungsabschnitt (17) übergehen und an Verbindungsabschnitten (18) enden, die jeweils den Anschlußöffnungen (14) zugeordnet sind.

2. Zirkulator mit breitem Frequenzband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Schaltungselementen dieselbe Serienresonanzschaltung enthält.

3. Zirkulator mit breitem Frequenzband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Serienresonanzschaltungen eine auf eine Frequenz im Arbeitsfrequenzbereich des Zirkulators und eine andere auf eine Frequenz außerhalb des Arbeitsfrequenzbereichs abgestimmt is«.