DE2414939C2 - Phasenschieberzirkulator für extrem hohe Impulsleistung - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Phasenschieberzirkulator für extrem hohe Impulsleistung mit einem in Hohlleitertechnik ausgeführten magischen T₁ bei dem in zwei Kohlleiterarmen parallel zu deren Längsachsen verlaufende Ferritstreifen angeordnet sind, welche jeweils so vormagnetisiert sind, daß in dem einen Hoh'leiterarm nur die in eine bestimmte Richtung verlaufenden Wellen eine 90°-Phasendrehung und in dem anderen Hohlleiterarm nur die in die entgegengesetzte Richtung verlaufenden Wellen eine 90°-Phasendrehung erfahren, und mit einem an die beiden Hohlleiterarme angeschlossenen, in Hohlleitertechnik ausgeführten 3 dB-KoppIer.

Eine solche Anordnung arbeitet wie eine elektrische Weiche, bei der von einem Sender die Energie auf eine Antenne geleitet und die Empfangsenergie aus der Antenne zurück auf einen Empfänger geleitet wird.

Anhand der Zeichnung soll die Wirkungsweise einer solchen Anordnung erläutert werden. In der Fig. 1 der Zeichnung wird im Arm Xa die Sendeenergie eingespeist. Dieser Arm ist ein Zweig eines magischen TX. Die eingespeiste Energie wird in dem magischen Tl in zwei gleiche Energieanteile aufgeteilt und erscheint je zur Hälfte in den Ebenen A und B der Hohlleiterarme und lein gleicher Phase.

Beide Leistungsanteile durchlaufen die beiden Hohlleiterarme 16 und Ic des magischen 71 und erscheinen am Ende dieser beiden Hohlleiterarme in den Ebenen C und D zu gleichen Leistungsanteilen. Jedoch ist die Phase der beiden Leistungsanteile um 90° verschieden. Im Hohlleiterarm 16 wird die Phase in Richtung B-D um einen größeren Winkel gedreht als im Hohlleiterarm Ic in Richtung A-C. Bei richtiger Vormagnetisierung beträgt die Differenz der Phasenverschiebungen zwischen Ebene D und Ebene C 90°. Entsprechend tritt im Hohlleiterann lein entgegengesetzter Richtung eine größere Phasenverschiebung auf als im Hohlleiterarm Ib, so daß in dieser Richtung die Phasendifferenz zwischen EbeneΛ und Ebene B wiederum 90° beträgt

Die beiden Hohlleiterarme Xb und Ic sind an je einem Arm eines 3 dB-Kopplers 2 angeschlossen. Die Energieanteile der beiden Hohlleiterarme \b und leerscheinen nunmehr am Ausgang 3 des 3 dB-Kopplers 2, an den die Antenne angeschlossen ist. Die Phasenverhältnisse liegen jetzt so, daß von der Ebene D des Hohlleiterarms 1 b bis zum Ausgang 3 keine Phasendrehung erfolgt, während von der Ebene C des Hohlleiterarms Ic bis zum Ausgang 3 eine Phasendrehung um 90° erfolgt.

Damit erscheinen die beiden Leistungsanteile am Ausgang 3 des 3 dB-Kopplers 2 wieder in gleicher Phase und addieren sich, so daß in der dem Ausgang 3 folgenden Antenne die volle eingespeiste Energie am Eingang Xa am Ausgang 3 wieder verfügbar ist, wenn man die Eigenverluste dieser Anordnung außer Betracht läßt.

Kommt nun eine Welle von der Antenne an, so wird diese durch den 3 dB-Koppler 2 in gleiche Teile aufgeteilt und erscheint zu gleichen Teilen in den Ebenen C und D, jedoch mit unterschiedlicher Phase von 90°.

Beide Energieanteile durchlaufen die Hohlleiterarme Xb und Ic. Hier findet im Hohlleiterarm Ic eine um 90" größere Phasenverschiebung statt als im Hohlleiterarm 1 b, so daß an den Ausgängen der Hohlleiterarme 1 b und Ic beide empfangene Energieanteile gleich groß und gleichphasig ankommen. Im magischen TX werden beide Anteile addiert und erscheinen jetzt am Ausgang Xd des magischen T X, an den der Empfänger angeschlossen ist.

Die Arme Xa und 16 des magischen TX sind elektrisch entkoppelt. Die beiden Hohlleiterarme 16 und Ic wirken also wie nichtreziproke Phasenschieber und zwar einander entgegengesetzt. Sie drehen die Phase um jeweils 90". Diese nichtreziproke Phasenverschiebung wird erreicht durch außerhalb der Mitte der Hohlleiterarme, parallel zu deren Längsachsen angeordnete Ferritstreifen 5, die in geeigneter Weise vormagnetisiert sind. (Vergleiche hierzu die F i g. 2, die den Schnitt in Richtung £Fder Fig.! darstellt).

Diese Vormagnetisierung wird durch ein Magnetfeld erzeugt, herrührend von einem permanenten Magneten 6. Die Feldstärke ist dabei so bemessen, daß das Feld kleiner ist als es zur gyromagnetischen Resonanz erforderlich ist.

Die Eigenschaften der die Phasendrehung bewirkenden Ferritstreifen 5 ändern sich dahingehend, daß in der Richtung, in der die größere Phasendrehung erzeugt wird, mit wachsender Hochfrequenzleistung von einem bestimmten Leistungsbetrag an die Durchlaßdämpfung zunimmt. Diese Vergrößerung der Durchlaßdämpfung wird durch die Anregung von Spin-Wellen im Ferritmaterial verursacht. In entgegengesetzter Fortpflanzungsrichtung der Welle wird die Dämpfung nur von den dielektrischen Verlusten und der Leitungsdämpfung bestimmt.

In einem Phasenschieberzirkulator gemäß der F i g. 1 erzeugt also in einer Fortpflanzungsrichtung nur jeweils ein Phasenschieber die nichtreziproke Phasenverschiebung um 90°, und nur in diesem wird mit steigender Leistung die Durchlaßdämpfung vergrößert.

In dem vorliegenden Anwendungsfall dieses Phasenschieberzikulators geht die hohe Leistung nur in einer Richtung und zwar vom Eingang Xa zum Ausgang 3

(5 MW Impulsleistung in einem Frequenzbereich von 1.25— 1,35GHz). In entgegengesetzter Richtung, also vom Ausgang 3 zum Ausgang Xd zum Empfänger wird nur eine kleine Leistung Obertragen.

Die gesamte Durchlaßdämpfung dieser Anordnung darf einen bestimmten Wert nicht überschreiten, etwa 0,6 dB. Dieser Dämpfungswert ergibt sich etwa aus dem arithmetischen Mittel der Einzeldämpfungen der beiden Zweige (Hohlleiterarme \b und ic).

Für den nichtreziproken Phasenschieber stehen prinzipiell drei Gruppen von Mikrowellenferriten zur Auswahl zur Verfugung. In der F i g. 3 sind die entsprechenden Ferritmaterialien in iiiren Diagrammen dargestellt Hier ist die Durchlaßdämpfung über der von dem Phasenschieberzirkulator übertragenen Leistung dargestellt

Spineüferrite (Kurve I) scheiden für die Verwendung in dieser Anordnung aus, daß sie sich bei der notwendigen Sättigungsmagnetisierung von etwa 450 Gauss nicht mehr mit den erforderlichen tigenschaften herstellen lassen. Gefordert sind geringe Terr?_:;eraiurabhängigkeit der Sättigungsmagnetisierung und kleine Verluste des Materials an sich.

Verwendbar dagegen sind Ferrite aus Yttrium-Eisen-Granaten oder solche mit geringem Dysprosium-Gehalt (vergleiche die Kurven 11 der Fig.3). Für große Leistungen eignen sie sich als Phasenschieber im Hohlleiterarm 16 noch nicht, weil sie bei dieser hohen Leistung eine zu große Durchlaßdämpfung aufweisen, die bei etwa 13—1,5 dB liegt Dagegen im Hohlleiterarm Ic bei geringer Leistung haben sie nur eine kleine Durchlaßdämpfung, die bei etwa 0,2—0.3 dB liegt

Durch das Hinzufügen von Dysprosium kann man die Grenze des Dämpfungsanstieges bei wachsender Leistung hinausschieben und den Anstieg erst bei größerer Leistung erfolgen lassen (siehe F i g. 3). Jedoch nimmt mit wachsendem Dysprosium-Zusatz wiederum, die Durchlaßdämpfung des Phasenschiebers zu.

Verwendet man für die Phasenschieber einen Granat mit einem größeren Dysprosiumgehalt (Kurve III der Fig. 3), so ist die Durchlaßdämpfung bei hoher Leistung zwar kleiner als mit der Ferritzusammensetzung der Kurve II (etwa zwischen 0,8 und 1 dB), aber die Durchlaßdämpfung ist noch zu groß.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg zu finden,

ίο wie man die Durchlaßdämpfung vermindert, um die Verlustleistung entsprechend klein zu halten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß die Ferritstreifen aus Yttrium-Eisen-Granat' mit Dysprosium-Anteilen bestehen und daß der Dysprosium-Gehalt der Ferritstreifen des Hohlleiterarms, in dem die Wellen mit der höheren Leistung eine Phasendrehung erfahren, größer ist als der Dysprosium-Gehalt der Ferritstreifen des Hohlleiterarms, in dem die Wellen mit der niedrigeren Leistung eine Phasendrehung erfahren.

Eine zweckmäßige Ausführung eer Erfindung geht aus dem Unteranspruch hervor.

Mit dieser Erfindung ist es möglich, die gesamte Durchlaßdämpfung auf ein zuverlässiges Maß von 0,5—0,6 dB zu vermindern.

Dadurch, daß man also in den Hohlleiterarm 16 mit Phasendrehungseigenschaften von 90° in Fortpflanzungsrichtung der großen Leistung Ferritstreifen aus einem Yttrium-Eisen-Granat mit eiwa 2,5% Dysprosium und in den Hohlleiterarm Ic mit Phasendrehungseigenschaften von 90° in Fortpflanzungsrichtung der kleinen Leistung Ferritstreifen aus einem Yttrium-Eisen-Granat mit etwa 1,5% Dysprosium einbringt erreicht man in Übertragungsrichtung der großen Leistung eine Durchlaßdämpfung zwischen 0,5—0,6 dB und in Übertragungsrichtung der kleineren Leistung eine Durchlaßdämpfung von etwa 0,4 dB.

Hierzu 1 Elatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Phasenschieberzirkulator für extrem hohe Impulsleistung mit einem in Hohlieitertechnik ausgeführen magischen T, bei dem in zwei Hohlleiterarmen parallel zu deren Längsachsen verlaufende Ferritstreifen angeordnet sind, weiche jeweils so vormagnetisiert sind, daß in dem einen Hohlleiterarm nur die in eine bestimmte Richtung verlaufenden Wellen eine 90°-Phasendrehung und in dem anderen Hohlleiterarm nur die in die entgegengesetzte Richtung verlaufenden Wellen eine 90°-Phasendrehung erfahren, und mit einem an die beiden Hohlleiterarme angeschlossenen, in Hohlleitertechnik ausgeführten \c 3dB-Koppler, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritstreifen aus Yttrium-Eisen-Granat mit Dysprosium-Anteilen bestehend und daß der Dysprosium-Gehalt der Ferritstreifen des Hohlleiterarms, in aim die Wellen mit der höheren Leistung eine Phasendrehung erfahren, größer ist als der Dysprosium-Gehalt der Ferritstreifen des Hohlleiterarms, in dem die Wellen mit der niedrigeren Leistung eine Phasendrehung erfahren.

2. Phasenschieberzirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritstreifen des Hohlleiterarms, in dem die Wellen mit der höheren Leistung eine Phasendrehung erfahren, einen Dysprosium-Gehalt von etwa 2,5% und die Ferritstreifen des Hohlleiterarms, in dem die Wellen mit der niedrigeren Leistung eine Phasendrehung erfahren, einen Dysprosium-Gehalt von etwa 1,5% aufweisen.