DE1958583A1 - Bauelement zur UEbertragung von Mikrowellen - Google Patents

Description

Aiaerik. Änm. No. 7Y7,8o4
eingereicht % 21.November I968

Western Microwave Laborato ries, Inc. 16845 Hicks Road, Los Gatos, California 950^0 (V.St.A.)

Bauelement zur Übertragung von Mikrowellen

Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur Übertragung von Mikrowellen mit mindestens einer Deckplatte, an die ein parallel zu ihr verlaufendes ebenes Leiterteil angrenzt. Insbesondere handelt es sich um einen Zirkulator oder einen Isolator, welcher in einem großen Bandbreitenbereich ein gutes Übertragungsverhalten zeigt.

Nachstehendseien einige im folgenden Text verwendete Begriffe erläuterts -

Wenn im Zusammenhang mit dem Auftreten unerwünschter Schwingungsmodes oder der Frequenzempfindlichkeit von einer Verringerung dieser Eigenschaften zu brauchbaren Grenzen die Rede ist, dann ist hiermit gemeint, daß diese Eigenschaften bis auf einen Wert herabgesetzt werden, bei welcher die minimale Isolation zwischen den Armen des Zirkulators oder Isolators auf etwa 18 dB herabgesetzt ist. Die beschriebenen Zirkulatoren und Isolatoren sind alle senkrecht zur Energieausbreitungsrichtung magnetisiert und arbeiten alle unterhalb der ferromagnetischen Resonanz.

Wenn von einem Ferrit die Rede ist, so ist hierunter ein quermagnetisiertes gyrotropisches oder gyromagnetisches Material verstanden. Das Wort "Ferrit" wird verwendet, weil in den meisten praktischen Fällen das verwendete Medium ferrimagnetischeeist, wie ein Ferrit oder ein'Granat.

009829/0918

• Die ersten Bandleitungszirkulatoren waren symmetrische, dreiarmige Verbindungsglieder, bei denen zwischen dem Leiterteil oder Leiterelement und den Deckplatten Ferritplatten vorgesehen waren. Man brachte dieses Bauelement über den gewünschten Frequenzbereich zum Funktionieren, indem man die ' Form des Leiterteils und der Ferrite versuchsweise änderte. Eine Betriebsbandbreite von 1Q# wurde für diese ersten Bandlei terzirkulatoren als gut angesehen.

Teilweise empirische und teilweise theoretische Untersuchungen von Bandleiterzirkulatoren, welche im unteren ferromagnetischen Resonanzraode arbeiten und bei denen das Ferritverbindungsteil als Resonanzhohlraum ausgebildet war, sind von Later, Bosma, Fay, Comstock und anderen durchgeführt worden. Die durch die Güte Q bestimmte elektrische Last dieses Hohlraums wurde so niedrig wie möglich gemacht, indem man die Impedanz des Ferritübergangsteiles herabsetzte und dann ψ Transformatoren zur Anpassung dieses niederohmigen Koppelelementes an die Eirigangsirapedanz üblicher Koaxialleitungen (normalerweise 50 Ohm) benutzte.¹ Eine Herabsetzung der Impedanz des Koppelelementes erhöht den in seinem Leiterteil fließenden Strom und damit die Kopplung an dem Ferrit, so daß die Güte Q des Resonanz-Ferrit-Koppelgliedes herabgesetzt wird und die Bandbreite größer wird. Bei Verwendung eines zweistufigen Transformators kommt man zu einem Zirkulator, der über einen Frequenzbereich von etwas mehr als einer Oktave arbeitet.

Die Bandbreite dieses Zirkulators wird auf etwa eine Oktave begrenzt durch 1) die Frequenzempfindlichkeit des Ferritkopplers und des J^ Transformators, 2) die unterhalb der niedrigsten Betriebsxrequenz für einen gegebenen Zirkulator auftretenden Feldverluste und 2) durch das Auftreten unerwünschter Schwingungsformen oberhalb der höchsten Betriebsfrequenz dieses Zirkulators. Die Frequenzempfindlichkeit ergibt sich, weil der Ferritkoppler ein Hohlraumresonator¹ ist und weil die Viertelwellenlänge des \ Transformators nur für eine bestimmte Frequenz gilt. Daher arbeitet der Zirkulator

009829/0911

nur in einem Frequenzband um die Mitte derjenigen Frequenz, für die er ausgelegt ist. Die Niederfrequenzfeldverluste resultieren aus den Eigenschaften des üblicherweise in Zirkulatoren verwendeten Ferritmaterials. Mit polykristallinen Granatmaterialien läßt sich ein zufriedenstellender Betrieb nicht unterhalb des Ferrormagnetismus-Resonanz-Modes unterhalb einer Frequenz erreichen, die durch die folgende Gleichung bestimmt ist:

W- f I^ (^4Ci

wobei f^„ = ungefähr die minimale Betriebsfrequenz in

Ms) = die Sättigungsraagnetisierung des Ferrits in Gauss

= das gyromagnetische Verhältnis des Ferrits ist.

Unerwünschte Schwingungsformen treten oberhalb der höchsten Betriebsfrequenz auf, weil die Abmessungen der Bandleitung und des Ferrit-Kopplers für diese hohen Frequenzen genügend groß sind, so daß sich auch andere Schwingungsformen als der gewünschte TEM-Mode ausbreiten können, so daß der Betrieb des Zirkulators gestört wird.

Ausserdem wurden die vorbeschriebenen Koppler ausschließlich als dreiarmige Koppler ausgebildet, die über ein breites Frequenzband nur eine Isolation von 20 dB ergeben. Frühere Versuche zur Herstellung eines vierarmigen Kopplers führten zu Bauelementen, die schlechte Übertragungseigenschaften (geringe Isolation.) und/oder geringe Bandbreiten aufwiesen. Benötigte man einen mehrarraigen (vier oder mehr Arme) Koppler oder eine bessere Isolation als 25 dB in

009829/0918

einem breiten Band, dann musste man zwei- oder mehr dreiarmige Zirkulatoren zusammenhalten und die höheren Verluste sowie die größere Kompliziertheit eines Bauelementes mit zwei oder mehr Ferrit-Kopplern in Kauf nehmen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber in einer Erhöhung der Bandbreite, Verbesserung der Isolation und Vergrösserung der Vielseitigkeit sowie in sonstigen Verbesserungen des Betriebsverhaltens eines solchen Kopplers, indem 1) die FrequenzempfindlichKeit des Zirkulators durch Verwendung eines nicht in Resonanz arbeitenden Ferrit-Kopplers ausgeschaltet oder auf brauchbare Werte herabgesetzt wird, 2) durch die Verwendung einer Mode-Unterdrückungstechniit^oder durch Entwurf aes Ferrit-Kopplers derart, daß unerv.■-insehte Schwingungsformen überhaupt nicht erst auftreten, diese Schwingungsformen von vornherein vermieden oder auf ein akzeptables Maß herabgesetzt werden-, so dai3 das Bauelement Über einen Frequenzoereieh von mehr als zwei Oktaven arbeitet, J5) ein vielarmiges Bauelement mit einem einzigen Ferrit-Koppier geschaffen wird, v.elches mindestens 20 aB Isolation über ein breites Frequenzband fir jeden zusätzlichen iirm (d.h. 20 dB für einen dreiarmigen, 40 dB für einen vierarmigen, 60 dB für einen fünfarmigen, usw.) mit nur wenigen zusätzlichen Verlusten ergibt und 4) eine innere Belastung; verwendet wird, welche für den belasteten Arm eine Isolation von 20, 40 oder mehr dE ergibt.

• Die Erfindung soll somit ein Breitband-Üoertragungs-Bauelement schaffen, wie einen Zirkulator, der nicht infolge des Ferrit-Kopplers frequenzempfindlich ist. Der Ferritkoppler soll ein Leiterteil, mindestens eine Deckplatte und mindestens eine zwischen diesen beiden angeordnete Ferritplatte aufweisen und die maximale Brandbreite, welche durch die Niederfrequenz-Feldverluste am unteren Bandende und unerwünschte Schwingungsformen am oberen Bandende begrenzt ist, soll mindestens eine Oktave betragen.

009829/0918

Weiterhin soll ein geeigneter Mode-Unterdrücker vorgesehen sein, welcher unerwünschte Schwingungsformen von vornherein verhindert oder in akzeptablen Grenzen hält, welche am oberen Ende des Bandes auftreten können. Hierdurch soll die Bandbreite auf mehr als zwei Oktaven erhöht werden. Der Ferritkoppler soll so ausgebildet sein, daß unerwünschte Schwingungsformen nicht auftreten oder so weit gedämpftwerden, daß sie das Übertragungsverhalten nicht auf einen unakzeptablen Wert verschlechtern. Das Bauelement soll 3* ^ oder η-Arme erhalten können, wobei jeder zusätzliche Arm einen zusätzlichen Isolierungsbeitrag liefert. Ein oder mehrere Arme eines n-armigen Bauelementes sollen innen abgeschlossen sein, so daß die für die betreffenden Arme erreichbare Isolierung höher wird und auch die Unterdrückung unerwünschter Schwingungsmodes verbessert wird.

Die Erfindung soll auch eine Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Sättigungsmagnetisierung, gegenüber üblichen Zirkulatoren und Isolatoren bringen. Auch soll die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des magnetischen Gleichfeldes geringer als bei bekannten Bauelementen sein. Das gleiche gilt hinsichtlich der Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen, welche das magnetische Gleichfeld und die Sättigungsmagnetisierung beeinflußen. Weiterhin soll die Symmetrie des Bauelementes nicht von so großer Wichtigkeit sein wie bei den bekannten Bauelementen.

Für ein gutes Betriebsverhaioen ist eine bestimmte Minimalgröße des Ferrits notwendig. Für einen dreiarmigen Koppler ist der minimale Durchmesser des Ferrits etwa zweimal so groß wie der Durchmesser des in üblichen Zirkulatoren verwendeten Ferrits. Da dies jedoch der Minimaldurchmesser ist, arbeitet der Koppler im gleichen Frequenzbereich auch mit jedem größeren Durchmesser. Somit sollen sich also bei dem erfindungsgemäßen Koppler die physikalischen Abmessungen mit nur geringer Wirkung auf das Übertragungsverhalten des Bauelementes variieren lassen.

009829/0918

BAD ORIGINAL

Die Erfindung soll ferner eine verbesserte Deckplatte schaffen, welche dafür sorgt, daß das magnetische Feld in dem gyromagnetischen oder Ferritmaterial gleichförmig ist, ohne daß sehr große Magnete benötigt werden. Weiterhin soll die maximal verarbeitbare Leistung ohne Beeinträchtigung der anderen erwünschten Eigenschaften erhöht werden. Durch die Schaffung eines Isolators mit einem inneren Lastabschluss soll auch ein Bauelement mit einer höheren mittleren verarbeitbaren Leistung geschaffen werden. Ferner soll ein neuer Aufbau zur/verbesserung der Verbindung und der Impedanzanpassung zwischen der äußeren anzuschließenden Schaltung und der in ihren Abmessungen relativ kleinen Anordnung des erfindungsgemäßen Kopplers - werden.

Diese Aufgaben werden bei einem Bauelement zur Übertragung von Mikrowellen mit mindestens einer Deckplatte, an die ein parallel zu ihr verlaufendes ebenes Leiterteil angrenzt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Leiterteil eine Mehrzahl sich nach außen verjüngender Arme aufweist und sich die Impedanz längs des Leiterteils nicht plötzlich ändert, daß über einen wesentlichen Teil der sich verjüngenden Arme ein gyromagnetische^ Teil angeordnet ist, und daß angrenzend an die Deckplatte ein Magnet zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, welch« das gyromagnetische Teil praktisch völlig durchsetzt, angeordnet ist, derart,daß das Bauelement nicht im Resonanzzustand arbeitet und die Energie durch das Leiterteil praktisch längs dessen Rändern fortgeleitet wird.

Hierbei ist der Innenleiter einer Bandleitung so ausgebildet, daß sich von einem Mittelteil Arme nach außen erstrecken, die sioh verjüngen und deren Ränder vorzugsweise glatt ineinander übergehen. Die sich verjüngenden Arme weisen auf diese Weise keine plötzlichen Richtungsänderung«! auf, so daß sichergestellt wird, daß die Änderungsgeschwindigkeit}

009829/091·

der Ränder des Leiterteils geringer ist als die Zirkulationsgeschwindigkeit der in einem quermagnetisierten Ferrit zirkulierenden TEM-Welle, so daß keine großen Fehl-,anpassungen auftreten, welche die Frequenzempfindlichkeit des Kopplers erhöhen und/oder die Isolation verschlechtern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird innerhalb des gyromagnetischen Mediums ein praktisch gleichförmiges Feld erzeugt, indem die Deckplatte aus einem praktisch nicht magnetischen, leitenden Material hergestellt wird, welches einen ferromagnetischen Teil aufweist, beispielsweise aus kaltgewalztem Stahl, der in Berührung mit praktisch der gesamten angrenzenden Oberfläche des gyromagnetischen Mediums steht und dieses überdeckt. Die gegenüberliegende Oberfläche des ferromagnetischen Teils befindet sich in Kontakt mit der Oberfläche eines das Magnetfeld erzeugenden Magneten und hat die gleiche Ausdehnung wie dieser.

Eine weitere Abwandlung der Erfindung besteht zur Verbesserung der maximal zu verarbeitenden Leistung darin,daß das gyromagnetische Medium aus zwei koplanar verlaufenden Bestandteilen aus unterschiedlichem Material ausgebildet ist. Der erste Bestandteil des gyromagnetisehen Mediums überdeckt einen Teil des Innenleiterteils, intern die Energie normalerweise in Vorwärtsrichtung fließt, und das Material dieses Bestandteiles ist so gewählt, daß optimale Vierte für die gewünschte Bandbreite, die Spitzenleistung und die Einspeisungsverluste in Vorwärtsrichtung der Energieausbreitung erreicht werden. Der zweite Bestandteil des gyromagnetischen Mediums überdeckt denjenigen Teil des Innenleiterteils, welcher dem Flußweg der Energie in Rückwärtsrichtung entspricht^ und besteht aus einem Material, das so ausgewählt ist, daß die gewünschte. Isolation in Rückwärtsrichtung erreicht wird.

009829/0918

Die Erfindung schafft somit einen Mikrowellen-Breitband-Zirkulator oder - Isolator in der Bandleitungs- oder Mikrostreifentechnik, dessen Bandbreite unter Verwendung üblicher polykristalliner ferrimagnetischer Materialien größer als eine Oktave ist, der jedoch bei bestimmten Ausführungsformen des Ferrit-Kopplers oder bei Verwendung eines geeigneten Mode-Unterdrückers eine Bandbreite von über zwei Oktaven erreicht. Insbesondere ist das Innenleiterteil eben und hat eine Mehrzahl nach außen sich verjüngender Arme, die je einen Anschluß darstellen. Ein ferromagnetisches oder gyromagnetische^ Material überdeckt einen wesentlichen Teil des Innenleiterteils einschließlich mindestens aller seiner Teile, die als Eingangsoder Ausgangsanschluß dienen. Die Energie breitet sich längs de» Ränder des Innenleiterteils aus, und diese Ränder sind so gestaltet, daß sie keine scharfen Änderungen aufweisen, so daß keine plötzlichen Impedanzänderungen im inneren Leiterteil auftreten. Es werden ferner verschiedene Methoden zur Unterdrückung unerwünsenter Schwingungsmodes vorgesehen,einschließlich eines inneren Abschlusses einer der Arme, ferner durch Ausbildung von Schlitzen in der Deckplatte, welche in Richtung des Stromes des gewünschten Ausbreitungsmodes verlaufen. Eine Gleichförmigkeit des Magnetfeldes innerhalb des Bauelementes bei Verwendung relativ kleiner Magnete wird durch eine Deckplatte erreicht, von der sich ein Teil in Kontakt mit dem Magnet befindet und bei der das gyromagnetische Medium aus einem hoch permeablen Material gebildet ist,während der Rest der Deckplatte aus einem nichtmagnetischen Material besteht. Die verarbeitbare maximale Leistung läßt sich noch erhöhen,wenn man das gyromagnetische Medium aus zwei verschiedenen Materialien aufbaut, die jeweils hinsichtlich der Vorwärtsausbreitung und Rückwärtsdämpfung optimal gewählt sind, während die zu verarbeitende mittlere Leistung sich durch eine in geeigneter Weise ausgebildete innere Belastung verbessern läßt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .

009829/0918

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungabeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil eines dreiarmigen Bandleitungszirkulators, und zwar auf eine Ferritscheibe, auf der eine ebene Leiteranordnung aufgebracht ist.

Fig. 2 eine die Konstruktion der Leiteranordnung erläuternde Ansicht

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein der Figur 2 ähnliches Bauteil, jedoch mit einer asymmetrischen gekrümmten Leiteranordnung

Fig. 4a eine Draufsicht auf eine ebene Leiteranordnung auf einer Ferritscheibe, bei welcher die Kante jedes Armes aus zwei hintereinander geschalteten Leitungsstücken unterschiedlicher Krümmung gebildet wird,

Fig. 4b eine der Figur a entsprechende Darstellung, bei welcher jede Kante der Leiteranordnung aus zwei unterschiedlichen Krümmungen besteht,

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein dreiarmiges ebenes Schaltungsteil nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Darstellung der Grosse -g-γ über der Frequenz

Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch einen Bandleitungszir kulator nach der Erfindung längs der Linie 2-2 in Figur 1,

Fig. 8 einen senkrechten Schnitt durch einen Mikrobandleitungszirkulator nach der Erfindung entsprechend der Schnittlinie 2-2 von Figur 1,

Fig. 9 eine auseinandergezogene Darstellung eines Bandleitungszirkulators mit einer Ausbildungsform eines Schwingungimode-Unterdrücker

009829/0918

ΐ958583 40

Fig. 10 eine vergrösserte Draufsicht auf eines der ebenen Grundteile der Figur 9 zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Schwingungsraode-ynterdrückers,

Fig. 11 eine Draufsicht auf einen Zirkulator mit einem anders ausgebildeten Schwingungsmode-Unterdrücker, der in der Ebene aber ausserhalb der Leiteranordnung vorgesehen ist,

Fig. 12 eine Draufsicht auf einen Teil eines vierarmigen Bandleitungs- oder Hikrostreifenzirkulators, und zwar eine Ferrit scheibe, auf der eine ebene gekrümmte Leiteranordnung vorgesehen ist,

Fig. 13 eine Draufsicht auf ein vierarmiges Schaltungsteil nach der Erfindung,

Fig. 14a eine andere Ausführungsform eines Bauelementes mit n-Armen,

Fig. 14b eine weitere, allgemeinere Ausführungsform eines mehrarmigen Bauelementes,

Fig. 15 eine Draufeicht auf ein dreiarmiges Bauelement, j bei dem ein Arm innen abgeschlossen ist,

Fig. 16. einen Schnitt durch das in Figur 5 dargestellte Bauelement,

Fig. 1% eine weitere Ausführungsform eines dreiareigen Bauelementes, bei dem ein Arm innen abgeschlossen ist,

Fig. 18 eine Draufsicht auf ein vierarmigeβ Bauelement, bei dem ein Arm innen abgeschlossen ist,

Fig. 19 eine Draufsicht auf «in· andere Ausführungsfor« •ines vierarmigen Bauelement··, bei ά·η ebenfalls «in Am innen abgeschlossen ist,

0 0 98 2 9/08 te

Fig. 20 eine Darstellung der übersprechdämpfung, der Einspeisungsverluste und der Welligkeit über der Frequenz für ein Bauelement der in den Figuren 1 und 7 dargestellten Art,

Fig. 2Ia₉ b und c Darstellungen der gleichen Parameter für ein Bauelement entsprechend Figur 9,

Fig. 22 die entsprechenden Darstellungen für ein Bauelement der in Figur 18 dargestellten Art,

Fig. 23 die entsprechenden Parameter für ein Bauelement der in Figur 17 gezeigten Art,

Fig. 24a und 24b erläuternde Diagramme,

Fig. 25 eine Draufsicht auf ein dreiarmiges Bauelement nach der Erfindung, bei dem ein Arm innen abgeschlossen ist, und bei dem das gyromagnetische Bauteil und die Last zur Verbesserung des Verhaltene bei Maximalleistung und bei mittlerer Leistung

ι -

> abgewandelt sind,

; Fig. 26 einen Schnitt durch das Bauelement nach Fig.25,

Fig. 27 eine Darstellung einer typischen Feldverteilung

' an dar Kante des Bauelementes ,

ι ■ . ■·

Fig. 28 eine Draufsicht auf eine verbesserte Ausführungsform des ebenen Aufbauteils nach der Erfindung,

Fig* 29 einen Schnitt längs der Linie 29-29 in Fig. 28 end

; Fig. 30 eine Draufsicht auf ein dreiarmiges Bauelement sur Veranschaulichung einer verbesserten Anschaltung an aussere Schaltungskreiee.

* 009829/0918

Theoretische Grundlagen der Erfindung

Im folgenden ist die Ausbreitung einer TEM-Welle in einem ideal quermagnetisierten gyromagnetisehen Medium theoretisch abgeleitet. Gleichung 21 zeigt das Ergebnis dieser Berechnung, und in Fig. 6 ist die Gleichung 21 für ein idealisiertes ferrimagnetisches Material aufgetragen, das die Dielektrizitätskonstante und die Sättigungsmagnetisierung von Yttrium-Eisen-Granat aufweist. Aus Gleichung 21 ist ersichtlich, daß für eine gegebene Sättigungsmagnetisierung des gesättigten Ferrits oder anderen gyromagnetisehen Mediums die TEM-Welle das Bestreben hat, mit einer bestimmten Geschwindigkeit ^₁- zu zirkulieren, wobei θ der Zirkulationswinkel für einen gegebenen Bogen der Länge y ist. Bei einer vorgegebenen Sättigungsmagnetisierung zirkuliert die TEM-Welle, wenn die Randbedingungen dies zulassen, um den Winkele Werden die Randbedingungen so gewählt, daß die TEM-Welle nur um den Winkel θ zirkulieren kann, wenn nämlich die Schaltung für θ < θ¹ ausgelegt wird, dann hat der grösste Teil der Energie der TEM-Welle das Bestreben, sich am Rande des Schaltungselementes zu konzentrieren. Der Zusammenhang dieser Erscheinung mit der Erfindung wird noch näher erläutert.

Es sei nun angenommen, daß eine TEM-Welle auf ein Stück Ferrit auftrifft, welches durch ein magnetisches Gleichfeld senkrecht zur Ausbreitungerichtung der TEM-Welle bis zur Sättigung Tormagnetisiert ist. Ferner sei angenommen> daß die Welle nur als TEM-Welle: auftreten kann, d.h. sich nur als TEM-Welle in Fer rit ausbreiten kann. Der Ferrit sei als gesättigt und verluetfrei angenommen. Das eagnetieche Gleichfeld verlaufe in «-Richtung. Zur Zeit t's 0 breite sich die TEM-Welle in y-Richtung aus und ihr magnetisches Wechselfeld (H) verlaufe in x-Richtung (siehe Figuren 24a und 2¹Ib).

009829/0918

Diese Figuren veranschaulichen schematisch die Zirkulation der Welle in einem quermagnetisierten Ferrit. Wenn B · rechtwinklig zum Magnetfeld BO (tfiehe Figur 24a) verläuft, dann zirkuliert die TEM-WeHe θ Grad, wenn sie sich längs des gekrümmten Weges von der Länge y¹ bewegt. Die Berechnungsart für Θ¹ und y¹ ist nachfolgend angeführt.

(1) H s S_x H bei y = 0 , t = 0

Die verwendeten Bezeichnungen sind in Anlehnung an die im Quellenverzeichnis unter Funkt 4 aufgeführte Literaturstelle gewählt.

Es sei nun daran erinnert, daß diese linear polarisierte TEM-WeHe aus zwei gegenläufig rotierenden, zirkularpolarisierten TEM-Wellenanteilen zusammengesetzt gedacht werden kann, welche nicht in Ausbreitungsrichtung, sondern um das magnetische Gleichfeld rotieren, d.h. die Rotationsachse, welche sich mit der Welle bewegt, verläuft parallel zum magnetischen Gleich feld.

(1). H₁. = (S_x - j S_y) § β"*¹**·- ^r " ^rechts

(3) H₁ = (S_x + j S_y) I e-J*¹*¹» ^λ * ^iinks Okulierend

(4) wobei fc_ ω /ε /μιι - juia — »/εμ *

(5) und B₁ = ω /ε /μιι + JyI₂' - »

Der Grund für die Verwendung des Ausdruckes f anstelle y im Ausdruck für die Phase wird noch erläutert.

009829/0918

AM

(6) S =

H_r +

-1

ί) '

Diese Gleichung stellt eine linear polarisierte TEM-Welle dar, welche bei ihrer Ausbreitung zirkuliert. Hierbei ist y¹ anstelle von y verwendet, weil sich die Richtung von y¹ kontinuierlich ändert. Die Richtung von H gegenüber seiner Richtung bei y¹ = ergibt sich aus dem Ausdruck

(7) tan θ

= -tan (

(8) Θ - ί-

Ο y' , mit y' = Fogenlänge.

Die Tatsache, daß der Ferrit nur die Ausbreitung von TEM* Wellen erlaubt, ist sehr wichtig.

Da es sich also bei der Welle um eine TEM-Welle handelt, die sich in der Richtung y* ausbreitet, liegen nur di· magnetischen Wechselfeldkomponenten H und H vor. Daher vereinfacht sich die Gleichung

(9) 1*H -

.H) + «*cilfl = 0

009829/0918

	Λ2	2	«x	+ to*e	Pn	Pi*	0	Θ	Hx	1958583	= 0
	Q A I		«y		P*i	V1*	0		Hy
	dy		0	0	0		0
(10)

(11) V-, i s ο für eine TEM-Welle.

Hierbei ist

1 >

ω ω»

ω₀* - ω

~ (γ) (4 τ Ms), wobei (Ί ν Ms) die Sättigungmagneti sierung des Ferrites ist.

, wobei H_Q das innere magnetische Feld ist und

(16) t das gyromagnetieohe Verhältnis für den Ferrit ist«

Durch Einsetsein der Gleichung (2) in Gleichung (10) erhält

und durch Einsetzen der Gleichungen (12) und (13) In Gleichung (IT) »ieibt sich

1/2

009129/0918

(19)

In gleicher Weise ergibt sich

ω _ ι. ω

durch Einsetzen von (18) und (19) in Gleichung (8) ergibt sich

(20) Θ' s

2 -

oder in Differentialform

(21) d9j_
_dy, -

ω₀₊ ω

Ein bedeutender Sonderfall liegt vor für ω> >ω ,ω_Μ< Hieraus folgt

(22) Θ» =

^f =

oder in Differentialform

(23)

Für ω>>ω_ο,ω_Μ ist also die Zirkulation unabhängig von der Frequenz. Der Realteil der Gleichung (21) ist in Figur 8 über der Frequenz aufgetragen.

Figur 6 ist eine Darstellung der Gleichung (21) für die Zirkulation ~f pro Zoll über der Frequenz. Sie ist aufgetragen für eine TEM-Welle in einem Ferrit mit JfM = GHz , fo.= 2*5 GHe

009829/0918

und ε =15.2. Der Ferrit sei als verlust frei und gesättigt angenommen. Die Kurve ist eine Darstellung des Realteils 'der Gleichung (21) mit den Parametern fM = 2 ir γ 4irMs,

γ s gyromagnetisches Verhältnis = 2,8 MHz/Oe für einen Yttriumeisengranat

4itMs = Sättigungsmagnetisierung für 178Ο Oe für Yttriumeisen granat

fo = ferromagnetische Resonanzfrequenz = γ Η

H = magnetisches Gleichfeld innerhalb des Ferrits.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

In Fig. 1 ist eine Ferritscheibe 10 dargestellt, auf der ein ebenes Bauteil 12 angeordnet ist. Dieses Bauteil hat einen Mittelteil 14 und bei der in Fig.l dargestellten dreiarmigen symmetrischen Ausführungsform drei Arme 16, 18 und 20, die' in gleichen Winkelabständen nach aussen ragen. Die Kanten 22 des Bauteiles, welche die Arme miteinander verbinden, haben die Form gekrümmter Linien, deren Krümmung so gewählt ist, daß d§> kleiner als dQ' längs der Gesamtlänge der Kante ist. Das \dy erfordert, daß das Bauteil über dem Ferrit keine plötzlichen Richtungsänderungen hat, d.h. keine so starken Änderungen, daß die übersprechdämpfung unzureichende Werte annimmt oder daß die Frequenzempfindlichkeit so groß wird, daß die Trennung oder die Einspeisungsverluste sich auf unbrauchbare Werte verschlechtern.

Obgleich jeder Kurvenverlauf innerhalb der vorstehenden Definitionsgrenzen ein zufriedenstellendes Arbeiten ergibt, ha-> ben sich besonders gute Erfolge gezeigt, wenn die Kanten des" Bauelementes für einen symmetrischen dreiarmigen Zirkulator ■

009829/0918

-W-

Aa

Kreisbögen mit einem Durchmesser von etwa dem 1,7-fachen der Ferritscheibe sind. Eine genaue Konstruktionsangabe für ein solches Bauelement ist in Figur 2 zu finden, wo die Ferritscheibe einen Durchmesser von eirvwSoll hat. Andere Kurven innerhalb der angegebenen Krümmungsdefinitionen verlaufen elliptisch, hyperbolisch, parabolisch, gerade oder längs irgendeiner Linie innerhalb der eingangs angegebenen Grenzen; auch Kombinationen solcher Kurven, wie es beispielsweise in Figur k dargestellt ist und nachfolgend beschrieben wird, sind möglich.

Die Eingangsimpedanz des Ferritkopplers kann für irgendeinen gängigen Wert Z ausgelegt werden, indem man die üblichen Impedanzberechnungen für Bandleitungen oder Mikrostreifenleitungen zugrunde legt. Nach der Festlegung von Z kann die Dicke des Bauelementes, die Dicke und die Dielektrizitätskonstante des Ferrits und die Breite des Bauelementes am Punkt 24 (Figur 1) bestimmt werden.

Die Eingangsimpedanz Z_Q kann so gewählt werden, daß sie der Impedanz äusserer Schaltungsteile oder Übertragungsleitungen angepasst ist, sie kann jedoch auch so gewählt werden, daß sie die Eingangs impedanz eines Transformators zwischen dem Ferrit}-koppler und äußeren Schaltungselementen oder Übertragungsleitungen anpasst.

Wenn auch in Figur 1 eine Ferritscheibe dargestellt ist, so wird doch nur der in unmittelbarer Nachbarschaft des Bauteiles und zwischen diesem und dem ebenen Unterteil befindliche Teil des Ferrites für die Zirkulation ausgenutzt, wobei der übrige Teil des Ferrites eine beliebige Formgebung haben kann. '' oder auch völlig entfallen kann.

Im Gegensatz zu üblichen Ferritzirkulatoren und Isolato- _| ren, bei welchen die verwendeten. Ferritscheiben nur den mittleren Teil oder Koppelteil dee Bauelemente· überdecken, Ober- *

009129/0918

deckt bei der Erfindung, wie in Figur .1 und den übrigen Figuren dargestellt ist, der Ferrit praktisch das gesamte Bauelement einschliesslich seiner Arme, welche die Eingangs- und Ausgangs~ verbindungen darstellen. Insbesondere Überdeckt der Ferrit, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, diejenigen Ränder des Bauteiles, längs deren die Energie sich ausbreitet.

0098 29/0918

^T/enn einer der Arme des ZirKulators inn on abgeschlossen istj so daiü eine Last gebildet ;,ird, dann braucht; der Ferrit sich nicht über diesen Teil cies Bauelementes hirxauszuerstrecken, wie anhand der anderen Figuren nocn erläutert wird. Vorzugsweise ra_bt der Ferrit leicht Über den Rand des Bauteiles hinaus, damit die Randbedingungen für das Innere des Bauelementes sicher erfüllt sind.

Fig. ν zei^t ein as;, inmetriscnes Bauteil, für gute Betriebseigenschaften ist eine ^-mmetrie nicht erforaerj icn, sofern die vorerwähnten Grenzen für uic Ausbildung des .Bauteiles eingehalten '..erden. Fi .^ur j, iä:st eint. Ferritscheibe ...nci ein Bauteil I^ r.:it einem Mitte il teil I^ und arei Lieh /erj:^:n,_,exiden Aj.men 1/, "v-j .aid 21 erKennen. Das Bauteil 1> v:ird. aus zwei Bögen £j> und ί^ une .·■.inoi.i _ceraaen f-.and '-i( /~ bildet. Im Rahmen der Erfindung ;;lnu _ueoooh nocxi ,itle andere asymmetrische Formen möglich.

Figur 4a stellt eine .h^sfuhr^n^form aeü Bauteiles aar, bei α em von einem Mittelteil y- ui-me ---,O₃ ^2. und 44 v/egra_;_>:n. Die Endabschnitte 40 der .r;ne sind von gleicher Ereite.Die Ränder 4b des Bauteiles, welche die Arme miteinander verbinden, sind Kreisbögen. Jedoch könnexi die 4c und 4o auch -irgendeiner anderen _oekrümmten Linie folgen und ausserdem aus mehr als sv/ei gekrümmten Liniex., die ineinander üter.-ehen, gebildet sein, sofern an den Rändern ,-:eine plötzlichen Ricntungsänderungen auftreten und -r_-r kleiner als -—-_t ist.

Figur 4b zeigt eine der Fi^ur 4a ähnliche .usfuhr.ung.sform, bei welcher sich an erste Kurvenstücke ky zweite KurvenstücKe '^l anschließen.

Figur ρ zeigt eine schematische Draufsicnt auf ein ebenes Bauteil, bei welchem die Energie in den Arm 1 in Pfeilrichtung eingespeist wird. Diese Energie sucht nun im Ferrit mit ei-

dfe'
.ner Winkelgeschwindigkeit von -r-f gemäß Gleichung 21 und der in Figur 6 dargestellten Kurve zu zirkulieren. Das Bauteil

0 0 9 8 2 9/0918 _B4nnfi

BAD ORIGINAL -

ist abc ι* üo ausgebildet, dass sich die Richtung der kanten nur Im Ma3e -τ— ändern, wobei -j— & -r—, ist, wie bereits ab geleitet worden ist (wenn die Ränder des Bauteiles wie in

dö 9 Fi₀Ur ei Kreisbögen sind, dann ist -y - — wobei θ und 3- in FiUUr ΐ, -üefinlert sind. Für die Schaltung nach Figur 2 gilt

Demzufolge konzentriert sich die Energie, die mit einer höheren Geschwindigkeit, als das Bauteil es erlaubt, zu zirkulieren sucht, am Rand des Bauteiles. Somit befindet sich der grösste Teil der Energie nahe dem Rand, und in Richtung senkrecht zum Rand ergibt sich ein Energieabfall.

Daher wird fast uie gesamte in den i-.rm eingespeiste Energie zum Arm 2 übertragen, wobei nur sehr wenig unmittelbar in den Arm 5 gelangt, ',.enn der Durchmesser des Ferrits genügend groß für einen vorgegebenen Ferrit ^RlMs ist (typischerweise mehr als der zweifache Durchmesser des bei üblichen Zirkulatoreri verwendeten Ferrits), dann ist die Energieübertragung unmittelbar vom Arm 1 zum Arm 2 nur sehr klein, tvpischerweise wesentlich kleiner als 1/&, was einer Heraodämpfang von mehr als 20 dB entspricht. Dann rührt der grösste Teil der am a-tn 3 ankommenden Energie von einer Fehl anpassung zwischen dem Bauteil und der Übertragungsleitung am Arm 2 her. Diese Fehlanpassung resultiert aus einer leich ten FrequenzempfindlichKeit des Kopplers oder Verbindungsstücks odor von einer unvollkommenen Anpassung zwischen dem Ferrit-Koppler und dem Transformator oder der aüsserhalb des Ferrit-Kopplers befindlichen Übertragungsleitung.

Aus Figur ( ist ersichtlich, dass die Bandleitungsanordnung das Bauteil 12, zwei Ferrite 10, je einer auf jeder Seite des Bauteiles, und zwei ebene Deckplatten 2b aufweist, welche gegen die Außenflächen der Ferrite anliegen. An den

Of?i_G(NAL 009829/0918

Außenflächen der Deckplatten 2b befinden sich die den Fluß liefernden Magnete 95.

Figur 8 zeigt eine Mikrostreifenanordnung mit einem Bauteil 12', einem Ferrit 10', der zwischen dem Bauteil 12' und der Deckplatte 26' angeordnet ist, und mit einem auf der Deckplatte befindlichen Vorspannungsmagnet 95'.

Der hier beschriebene Bandleitungszirkulator arbeitet aufgrund der Zirkulation einer Welle im TEM-Schwingungsmodft, Hierunter versteht man einen Übertragungsleiter-Sehwingungsmodt bei dem das elektrische Feld und das magnetische Feld und die Ausbreitungsrichtung der Welle gegenseitig rechtwinkelig aufeinanderstehen. (Der Mikros treif enzirkulat or arbeitet aufgrund der Zirkulation eines Übertragungsleitungs-Schv/ingungsmodü, der einem TEM-Mo de ähnlich ist.) Für die bisher beschriebenen Bauelemente erfolgt eine Ausbreitung nur der TEM-Schwingungsform innerhalb der ersten Oktave oberhalb der unteren Frequenzgrenze, die durch Feldverluste gesetzt ist. Oberhalb dieser ersten Oktave können andere Schwingungsformen im Bauelement auftreten. Die Frequenz, bei welcher die anderen Schwingungsformen einsetzen, hängt im allgemeinen von der Sättigungsmagnetisierung des Ferrits, der angelegten Feldstärke und der Änderung der Richtung des Bauteiles (-r-) ab. Wenn solche Schwingungsformen erst einmal eingesetzt haben, dann bleiben sie bestehen oder gehen, wenn die Ferritstücke dick genug sind, in parallel zu den Platten verlaufende Schwingungsformen über. In beiden Fällen verschlechtern sich dann die Einspeisungsverluote und die Nachbararmdämpfung auf unbrauchbare Werte.

Bei der Erfindung läßt sich die Ausbildung dieser Schwingungsformen jedoch von Anfang an vermeiden, beziehungsweise sich ausbildende Schwingungsformen werden weggedämpft. Im TEM-Mode fließt der Strom in Ausbreitungsrichtung, bei

009829/0918

TE-Mode verlaufen die Stromlinien jedoch sowohl in Richtung der Ausbreitung als auch senkrecht dazu. Wenn daher der äußere Leiter der Bandleitung parallel zum Stromfluß des TEM-Modes geschlitzt wird, dann wird ein Stromfluß des TE-Mode s unterbrochen, während der Stromfluß des TEM-Modes nur geringfügig beeinflußt wird. Durch Unterbrechung des Stromfiußes der TE-Modes lassen sich diese für die Ausbreitung verhindern und in dem Bandleitungs-Ferrit-Bauelement kann sich zwangsläufig nur ein TEM-Mode ausbreiten.

. Figur 9 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung eines vollständigen Bauelementes mit einem Mode-Unterdrücker nach der Erfindung. Es ist ein Bauteil 28 vorgesehen, das einen Mittelteil 30 und von diesem wegragende, sich verjüngende Arme 32, 34 und 36 hat. Beiderseits des Eauteiles ist je ein Ferrit 33 beziehungsweise yj angeordnet, auf denen wiederum ebene Deckplatten 37 beziehungsweise 39 angeordnet sind. Die Deckplatte 37 besteht aus einer dünnen Schicht leitenden Materials, welches mit einer dickeren selbsttragenden Schicht eines Verlust-behafteten Materials 41 verbunden ist, während die Deckplatte 39 mit einem gleichen Material 43 verbunden ist. Beide Deckplatten weisen Schlitze ^O auf, welche durch sie hindurchrageri und über ihre ganze Länge in dem Verlust-behafteten Material 41 und 43 verlaufen. Diese Schlitze können durch übliche Ätztechniken hergestellt werden. Gegebenenfalls kann auch nur eine der Deckplatten mit Schlitzen ausgebildet sein. Außerdem kann gegebenenfalls auf einer Seite eine normale Deckplatte verwendet werden.

Das stark Verlust-behaftete Material 41, 43 wird hinter den Schlitzen angebracht, damit jegliche Energie absorbiert wird, welche sich über den Schlitzen aufbaut,beispielsweise bei Anregung vonJTE-Sehwingungsformen. Wenn bei einem -solchen Bauelement die Betriebsfrequenz erhöht wird, dann breiten sich die gewünschten TEM-Modes aus, da die

0 09829/0918 BAD OR_/QfNAL

Schlitze in iilchtuiit des Stromveriaufes des TEM-Modes ausgebildet■sind. Die Ströme anderer Gchwin;-juriesformen, beisOlelsLeise von TE-Moaos, fließen unter einem V/irikei oder rechtwinkelig zu den Schlitzen, so daß durch sie aber den Schlitzen aufgeDaute Felder durch das Veriustmaterial adsorbiert ι, erden: dadurch erhöht sich die Eetrit υ::; frequenz-Grenze. Ein soicacr Mode-Uhter'dr.Jcker erlaubt einen Betrieb Über einen Frequcnzbereiu.u, der ist ais zwei Gktaven.

Figur 10 zeigt eine Draufsicht auf die Deckplatte 4jj, in CK. r die Schlitze pO ausgebildet Hind. Es kann zwar jede geeignete Schlitzzahi _eewähit werden, jedoch haben sich besonders gate Ergebnisse bei der Anordnung _temäij aen Fi-A_wuren 9 und IC ergeben. Die äuiersie R-ihe der Schiit:ΰο p2, j.,'\, yj folien im allgemeinen der Kontur ues Bc.uteij.es selbst, Die nächste Reine von Schiit-,en "^o, oO, o2 verlaufen im allgemeinen parallel zu den äußeren ._-chlitsen in einem ..ostarid von etv/a λ 4, wobei/Laie V,"e±lenili.n_(:je der höchsten vorgesehenen Betriebsfrequenz, im Ferrit gemessen, ist. Die dritte Schlitzreihe steht zur zweiten ocnlitzreiüe im gleichen Verhältnis wie die zvveite zur ersten. Dasselbe gilt für die vierte, fünfte usw. Schlitzreihe, bis kein Platz mehr ist. Jeder Schlitz reicht weit _benu₆ zum Ende des Armes, so daß eine ausreichende Mode-UnterdrUckun^, mit so wenifc. wie möglich Verlusten für den ^ev-Unscnten TEM-Mode erreicht wird. Die Breite der Schlitze des Mode-Unterdrückers wird so _öeg wie möglich gernaent, tvpischei'weise ί'-j,- 1000 mm.

Figur 11 zeigt eine Draufsicnt auf einen Zirkulator mit einem anderen Mode-Unterdrücker. Er enthält Stücke aus Verlust-behafteten Material 4^, welches in der Ebene des Bauteiles 4f und dicht genug bei diesem angeordnet ist, so daß unerwünschte o„;hwin_öungsformen unterdrückt v/erden, ehe sie sich richtig ausbilden können, jedoch soll andererseits der Abstand genügend groß sein, daß die Verluste für den er-

009829/0918

wünschten TEM-Mode minimal gehalten werden. Die Stücke des Verlust-behafteten Materials 4^> und das Bauteil 4/ sind auf einer. Perritscheibe 49 angeordnet.

Eijne Mode-Unterdrückung kann auch in einem ZirKulator oder Isolator mit einer internen Last erreicht werden.

Figur 12 zeigt einen Aufbau ähnlich der Figur 1 mit der Ausnahme, daß das auf dem Ferrit 61 angeordnete Bauteil 51 vier Arme 53 > 55.» t>i und 59 aufweist. Ein ähnlicher Aufbau könnte mit fünf oder mehr Armen dargestellt werden. Jeder zusätzliche ..rni ergibt mehr als 20 dB zusätzlicher Dämpfung aber ein zweites Frequenzoand, sofern ein genügend großer Feldabfall vorgesehen ist, in dem der Durchmesser für eine vorgegebene Sättigungsmagnetisierung groß genug ist und die Fehlanpassung an jedem Arm 1,2 zu 1 nicht übersteigt. Die minimale Dämpfung zwischen zwei benachbarten Armen läßt sich für ein weites Frequenzband formelme i% angeben durch (n - 2) (20) dB,wooei η die Zahl der ^rme ist. Je größer η ist, desto größer muß der minimale Durchmesser für eine vorgegebene Sättigungsmagnetisierung sein.

Figur Vj) zeigt ein Bauelement mit vier Armen, bei welchem aie Energie am Arm 1 eingespeist wird. Die am Arm 2 austretende Energie ist gegenüber der Eintrittsenergie am Arm 1 um weniger als 0,5 dB gedämpft, Demgegenüber ist die am Arm j? austretende Energie um menr als 20 dB gegenüber der Energie am Arm 1 gedämpft, und die Dämpfung der Energie am Arm 4 beträgt mehr als 20 dB,

Diese mehrarmigeri Bauelemente arbeiten mit einem Mode-Unterdrücker über mehr als eine Oktave, und mit einem Mode-Unterdrücker wie er in den Figuren 10 und 11 dargestellt ist und sich aber auch für mehrannige Zirkulatoren eignet, über mehr als zwei Oktaven.

Für ein gutes betriebsverhalten ist eine Symmetrie keine notwendige Voraussetzung. In den Figuren l4a und l4b sind zwei

009829/0918

BAD OftiG/_NAL

mögliche Formen von mehrarmigen Bauelementen dargestellt.^ Der Zirkulator nach Figur JAa besteht aus einem Ferritstab 1;52, auf welchem ein ebenes Bauteil 1^4 angeordnet ist, welches einen Mitteilteil 1^0 aufweist, von dem n-Arme 128 wegra^en. Diese Arme können, wie es in Figur JAa dargestellt ist, längs einer Kante in gerader Linie hervorragen, oder sie können auch entlang dem Umfang des Bauteiles wegragen, wie es in Figur l4b dargestellt ist. Es gilt wiederum lediglich die Bedingung, daß am Rand des Bauteiles zwischen be-

qQ

nachbarten /innen niedrigen V· rlustes das Verhältnis -s— et-

dO' ^y

was kleiner als -r-_t ist. All diese Zirkulatoren arbeiten in derselben Weise, wie es anhand der Figuren 5» 12 und IJ beschrieben ist. Das Bauelement nach Figur 14a kann ebenso ein Isolator sein, wenn der obere Teil des Ferrits 1>2 durch ein Verlust-behaftetes Material ersetzt wird.

Figur 15 zeigt eine Draufsicht auf ein dreiarmiges Bauelement, bei dem ein Arm innen abgeschlossen ist. Figur Io zeigt einen Querschnitt durch eine Mikrostreifenversion dieses Bauelementes. Hierbei ist das Verlust-behaftete Material zwischen den Deckplatten und dem Arm des Bauteiles angeordnet, v/elcher üblicherweise durch eine äußere Last für den Ferrit-Koppler abgeschlossen würde. Ein dreiarmiger Zirkulator, bei dem ein Arm abgeschlossen ist, ist ein Isolator.

Das Bauteil 70 hat einen Mittelteil 72, von dem sich verjüngende Arme 74, 76 und 80 wegragen. Der Arm 74 v/irkt als Eingangsarm, der Arm (b als Ausgangsarm. Der Arm 80 kann gegebenenfalls durch eine angepaßte Last 84 abgeschloseen sein. Über dem Eingangs- und den Ausgangsarm und dem an diesen Anne angrenzenden Rand des Bauteiles yj? ist ein ferrimagnetiscues Material 86 vorgesehen, welches sich um einen Abstand ζ über diesen Rand ?j5 auf die Mitte des Bauteiles zu erstreckt. Das Verlust-behaftete Material 88 befindet sich unter dem übrigen T'-.il des Bauteiles, d.h. unter dem Rest des ^rmes 80. Außerdem ist eine Deckplatte 90 vorgesehen.

009029/0918

BAD ORIGINAL

V/enn die Polarität magnetischen Feldes so gehöhlt v.lrd, daß die Energie im Gegenuhrzeigersinne zirkuliert, dann verläßt der meiste T 11 der am Arm γ4 eintretenden Energie den Zirkulator am Arm 7υ. Der Abstand ζ wird so gewählt, daß die am Verlust behafteten Material ankommende Energie infolge des Feldabfalls genügend klein ist, daß die Einsoeisungsverluste nicht unzulässig hoch werden.

VJird die Energie am Arm 'j6 in den Zirkulator eingespeist, dann zirkuliert sie in Richtung zum Arm Öü, und ein beträchtlicher ijiteil dieser Energie v;ird durch aas Verlustraateria] Oo und die Last c:4 absorbiert. Die den Arm (4 vom Arm ₍o aus erreichende Energie hängt ab 1) von der Amplitude der unmittelbar vom Arm Vo zum Arm fh infolge des unvollständigen Feidabfalls ankommenden Energie, 2) von der den .rm /4 aber den Arm 60 infolge der unvollständigen Absorption am Arm eü erreichenden Energie und J5) ^von der den Arm )'\ infolge anderer 3ehwingungsformen erreichenden Energie.Die relative Phase und Amplitude dieser Energiebeträge bestimmt bei ihrer Addierung am Ai¹Ki 'Jh die Dämpfung zwischen dem Arm /4 und dem Arm 76. Diese Dämpfung oder Trennung wird bestimmt durch die Betriebsfrequenz, die Materialparameter des Wrlustmaterials und des

d9
Ferrites, durch das Verhältnis ~r^~ des Bauteiles, die Abstände ζ und x. und die Anpassung der Last 84. Sind die übrigen Parameter gleich, dann wird die Dämpfung umso höher, je langer der Abstand χ ist. Die durch die innere B-.lastung erreichbare Dämpfung kann bis über όθ dB gewählt werden.

Eine innere Belastung führt auch zu einer Mode-Unterdrückung, weil das über dem Bauteil angeordnete Verlustmaterial ^diejenigen Schwingungsformen unterdrückt, welche normalerweise in dem Bauteil auftreten können und zwar werden die Schwingungen bereits vor ihrer richtigen ausbildung weggedämpft, so dass die Übertragungseigenschaften des Bauelementes gar nicht erst auf unbrauchbare Werte verschlechtert werden.

O O 9 8 2 9V O 91 8 _BAD original

Figur 1( ^eigt eine weitere Ausführungsform eines dreiarmigen Bauelementes mit einem innen abgeschlossenen Arm. Das Eauteil [0* ist über einem Verlustmaterial b"B^f und einem Ferrit Bb¹ angeordnet. Es hat einen mittleren Teil f2^f-mit nach außen ragenden Armen f4^! and jo¹, deren Form durch Eögen iJ·' oestimmt ist, die in gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sind. Dieser Ausbildung ist derjenigen nach den Figuren Vj) und lö vorzuziehen, weil der .-.nstand χ praktisch beliebig ^roii gemacht werden kann, so daß eine beliebig hohe Isolation oder Dämpfun_o erreicht werden *cann, v;ell sich weiterhin der Aostand ζ leicht zur Einstellung der Verluste auf einen noch akzeptablen Yr rt justieren läßt, weil sich ferner der Wert R 1 eicht einstexlen 1:13t, die Eingangs- und Ausgangsarme in einer Linie liegen unci schließlich, was besonders wichtig ist, der gerade Rand des Bauteiles zwischen den Armen 1 und 2 dew Auftreten unerwünschter" üchwingungsformen stark entgegenwirkt, welche von dem Verlustmaterial unter nur sehr geringer Beeinträchtigung der Verlust- und Isolationseigenschaften des Bauelementes aogedämpft werden.

Eel·..jedem der bisher besprocnerien Bauelemente können ein oder mehrere Arme innen abgeschlossen sein, damit die gegenseitige Isolation besser wird un-d unerwünschte Schwingun^sformen unterdrückt werden. Das in Figur Ib dargestellte Bauelement hat vier Arme, wie aas in Figur 12 dargestellte und unterscheidet sich von diesen durch den inneren Abschluß eines Armes. Das Bauteil 6*j hat einen Hittelteil 67, von dem sich verjüngende Arme 69, 71.» Ύ> und 7 5 wegragen. Ferner ist über dem größeren T il aes Bauelementes, welcher den Arm /1 und den meisten T il der Arme 69 und i'j) einschließt, ein ferrimagnetisehes Material (9 vorgesehen. Über den Arm 75 und den restlichen T-.il der Arme 69 una Yj> verläuft, ein Verlustmaterial 61.

Figur 19 entspricht Figur l8, nur daß das Verlustmaterial 6l durch ein blattförmiges Widerstandsmaterial ersetzt ist,

0 0 9823/0918

BAD ORIGINAL

welches den erforderlichen Verlustwiderstandsabschluss bildet.

Figur 20 stellt den Verlauf der Dämpfung, der Einspeisungsveriuste und des Welligkeitsfaktors einer Bandleitungsausfu'hrung des in Figur 1 dargestellten Zirkulators dar. Die verwendeten Ferrite hatten etwa^ 25 mm Durchmesser und 2,15 mm Dicke und bestanden aus polykristallinen Yttriumeisengranat mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1 780 Gauss (Trans-Tech Material Nummer G11J5). Die Deckplatten bestehen aus silberplattiertem kaltgewalztem Stahl. Das Bauteil besteht aus einem Messingblech von 0,127 mm Dicke mit den Abmessungen nach Figur 2, wobei w = 0,553 mm beträgt, damit die Eingangs-

dQ impedanz etwa 50.0hm ist. Der V/ert -r— beträgt für dieses Bau-

- dö^f y

teil Ι, ΐγ. Der Wert -τ—_t ist fur alle Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz des Betriebsmodes o,Q und ist somit grös-

dQ

ser als -?—. Aus Figur 20 ist zu sehen, daß die Dämpfung mehr als 20 dB, die Einspeisungsverluste weniger als 0,5 dB im Frequenzbereich von '$,'$ bis 0,9 GHz betragen. Ooerhalb von 6,9 GHz treten andere S hwingungsformen auf.

Diese Schwingung formen lassen sich durch die Verwendung eines Mode-Unterdrückers ausschalten. Hierzu werden die silberplatierten Stahldeckplatten durch Deckplatten ersetzt, welche einen Mode-Unterdrücker aufweisen, der in den Figuren 9 und 10 dargestellt ist. Die Deckplatten werden aus einem metallisierten Verlust-behafteten Material hergestellt (Emerson und Cummings MF lib). Die aus Silber bestehende Metallisierung ist etwa 23, 1000 mm dick. Die Schlitze entsprachen der Darstellung in Figur 10 und hatten eine Breite von 0,0/6 mm und einen Anstand von 1,2'/" mm. Der Ferrit und das Bauteil blieben unverändert. Die Figuren 21, 21a und 21b zeigen die Isolation, die Einspeisungsverluste und den WeI-ligkeitsfaktor dieses Bauelementes. Die Einspeisungsverluste sind hier etwas höher als im anderen Fall, jedoch ist der ausnutzbare Frequenzbereich größer als zwei Oktaven geworden.

Figur 22 zeigt die Isolation, die Einspeisungsverluste und den Welligkeitsfaktor einer Bandleitungsausführungsform

009829/0918 _Q

der in Figur 13 dargestellten Anordnung. Der Ferrit war ein Material Gl IjJ mit Abmessungen 50,8 χ 3,Ü5 χ 1,5 Y «™· Das "Verlustmaterial MP 116 hatte die Abmessungen 5*08 χ 20,2 x 1,5Y Das Bauteil bestand aus Messing einer Dicke von 0,12γ mm mit den Abmessungen w = O,j58 mm und R - 25*2 mm .(die Materialien GIl^ und MP 116 wurden bereits erwähnt, die Abstände w und R sind anhand von Figur 2 erläutert). Die Deckplatten bestanden aus silberplatierten kaltgewalztem Stahl. Der Schenkel (J in Figur 18 war durch eine angepaßte Last abgeschlossen, und die in Figur 22 aufgetragenen Parameter bestehen zwischen den Armen 69 und Yl.

In Figur 2^ ist die Isolation, die Einspeisungsverluste und der Welligkeitsfaktor einer Bandleitungsausführung des Bauelementes nach Figur 1γ dargestellt. Die Abmessungen des verwendeten Ferrits aus dem Material G113 waren Yb,2 χ 12,/ χ 0,102 mm. Das Verlustmaterial MF lld hatte die Abmessungen 76,2 χ 19 χ 0,102 mm und das Bauteil bestand aus 0,12γ' mm starkem Messing mit den Maßen w = 0,254 mm und R - 31,8 mm. Die Deckplatten bestanden aus silberplatiertem kaltgewalztem Stahl.

Figur 25 stellt ein nach der Erfindung ausgeführtes Bauelement in einer Abwandlung dar, welche die Verarbeitung iner größeren Spitzenleistung erlaubt. Beim Entwurf eines Mikrowellenzirkulators oder Isolators strebt man nach einer möglichst großen Bandbreite, innerhalb deren eine gute Isolation und ein gutes Einspeisungsverlustverhältnis erzielt wird, wobei diese ./erte möglichst temperaturstabil sein sollen. Weiterhin strebt man ein lineares Übertragungsverhalten an. Dieses letztgenannte Merkmal bringt jedoch Probleme mit sich, insbesondere, wenn das Bauelement im Impulsbetrieb verwendet wird. Diese Probleme kommen daher, daß viele der verwendeten Ferritmaterialien einen relativ niedrigen Grenzpegel oder Schwellwertpegel für die fortzuleitende Energie aufweisen, oberhalb dessen das Verhalten nicht linear wird. Zwar ist es möglich, diesen Grenzpegel heraufzusetzen und damit die zu verarbeitende Spitzenleistung zu erhöhen, bei-

009829/0918

spielsweise indem man unterschiedliche Ferritmaterialien mit einer breiteren Spinnresonanzlinienbreite ( H^) verwendet, jedoch führen solche Änderungen im allgemeinen zu einer Verschlechterung anderer wünschenswerter Eigenschaften des Bauelements, wie der Bandbreite, der Temperaturstabilität, der Isolation und, oder der Einspeisungsverluste.

Entsprechend der vorstehend erläuterten Theorie für die Betriebsweise von Zirkulatoren wird das Magnetfeld im Bauelement längs der Kanten des Bauteiles konzentriert, so dai sich ein Weg mit niedrigen Verlusten in derjenigen Richtung ergiot, welche normalerweise die Urnlaufrichtung ist, während aie Verluste für die entgegengesetzte Richtung hoch sind. In Fi&ur 2( ist die Feldstärke ausgetragen, die von einem Maximalwert am Hand des Bauteiles exponeiitiel abfällt. Aus dieser Kurve läßt sich leicht sehen, daß wegen des schnellen Abfalles des elektrischen Feldes mit zunehmender Entfernung vom Rand für .ein lineares Arbeiten der am weitesten vom Rand entfernte Ferrit nicht sa einen hohen Schwellwert zu haben braucht wie der angrenzend an den Rand, längs dem sich der größere Teil der elektrischen Energie ausbreitet, befindliche Ferrit. Fur eine Erhöhung der durch das in seiner grundsätzlichen Form anhand der Figuren 2^ und 2o beschriebene Bauteil maximal zu verarbeitenden Leistung wird das gyromagnetische Material oder der Ferrit 100 aus zwei getrennten Teilen 101 und 102 gebildet, die aus unterschiedlichem Material bestehen. DieTei-Ie 101 und 102 verlaufen praktisch koplanar zueinander und sind vorzugsweise in üblicher Technik miteinander verbunden, so daß sie ein zusammengesetztes gyromagnetisches Medium 100 bilden. Angrenzend an den Ferrit 100 ist ein Bauteil 104 angeordnet, das sehr ähnlich dem in Figur Yf dargestelltem Bauteil ist und ein paar nach außen sich verjüngender Arme 10υ und 107 aufv/eist, die als Eingangs-, beziehungsweise Ausgangsarm für das Bauelement dienen. Das gyromagnetische Medium erstreckt sich im wesentlichen über den gesaraten Teil des Bau- · feiles, in welchem der Strom normalerweise entweder in einer

009829/0918

BAD ORIGINAL

Vorwärts- oaer in einer RJckwartsriehtuxie ί'ϋεώϋ, una es ra^t vorzugsweise etwas '-.ber dessen Kanten hinaus, vvie durch die Ee zu ,^s ziffer IGy angedeutet ist, damit die Randbeaineüii^'en f 'Ir das Fei α innerhalu des Bauelementes erfüllt sina.

Las Bauteil 104 ;.at j.'ernr-r einen dritten Arm 110, der .,ν.Ischen aen Armen 10-j und 10c angeordnet ist una innen mit Hilfe eines darunterliegenden !Vlies von Verlust-behaftetem i-iateriai 112 abgeschlossen 1st, welches ^;:o;uanar mit der. .;:, roma^netiscnem iieolum jGO ver.i i-'uft und j-_oen dessen Kante anlieft, angrenzend una in Berührung sowohl mit den g.-jcolna^netischem kealum 100 als auch mit aem V rlust-behaftetem Material 112 ist eine Deckplatte 114 vorgesehen. Das mu,-n-ntisch*= Feld inrierholc <i<:s Bauelementes wird mit Hilfe ^ines Permanentmagneten l.o erze.,^t, welcher f/,c._,en das ί_,,νΐΌπΐύ₆-netische Medien 100 anlieft.

Der Teil 101 des _;J.„ ro^ar/netiscnen I-lediains 100 ist a-s eine::, kateria^. gebildet, ",.elcxies aie, optimaxe _oe wünsch te Bandbreite und die optimalen Binsoeisun.-.sVerluste aufweist :<ηα Dei aen durch aas Bauteil maximal zu verarbeitenden Leistungen no en ::eine Einschränkungen bringt. Das Teil 101 ist hinsiciitlior. des Bauteiles 104 so angeordnet, aass es denjenigen T ii des Bauteiles ',beraeckt, welcher aen ^röteren Teil des stromes od^r der Bner-ie in Vorv/ärtsricntun^ f'lhrt. i^ei dem uar_testeixten Bauelement ist aies entlang der oberen Kante 10/ des Bauteiles aer FaIx. Die Breite des T il^s 101 wird aurcn äi-e 3pit2enener_i:;ie, w-eiche uas Bauelement in Vorviärtsricntuiit, durchlaufen soll, und aurc.h aen ^ewanschten begrenzenden Schwellwert des Bauelementes bestimmt.

Der Teil 102 des gyromayaetisenen r>K-diums 100 ist aus einem Material gebildet, welches in Rückwärtsriehtunt, eine optimale Isolation bietet. Im allgemeinen handelt es sich dabei um ein Material mit einer schmaleren Spinnresonanzlinienbreite als es bei dem Material für den T .11 101 der

003823/0318

BAD

Fall ist, und bei hoher Spitzenleistung würde dabei das Tc-il 102 Einschränkungen mit sich bringen. Da. der Zweck des Teiles 102 aoer in einer Erhöhung der Rückwärtsdämpfung (Dämpfung in entgegengesetzter UmIaufrichtung) ist, hat diese Begrenzung eine verbesernde anstatt eine « verschlechternde Wirkung.

Beispielsweise ergibt sich ein begrenzender Schwellwerk von /5 W Spitzenleistung für ein Bauelement der für verbesserte Spitzenleistung beschriebenen .-,rt mit dieser Aowandlung unter Verwendung eines Bauteiles wie es in Fi_uur 25 dargestellt ist, dessen gyromagnetis.ches Medium 100 aus einem festen Stück Granat mit einer Sättigungsmagnetisierung von etwa l800 Gauss (T.ans-Tech GlIj?) gebildet 1st. Wandelt man das gleiche Bauteil so ab, wie es Figur 2^ zeigt, daß es ein zusammengesetztes gyromagnetiscn.es Medium aufweist, dessen Teil 102 aus dem gleichen Material wie oben besteht und dessen Teil 101 aus einem dotierten Granatrnaterial mit einer Sättigungsmagnetisierung von etwa 1100 Gauss (oeispieisweise Trans-Tech G1021) besteht, wobei die Teile 101 und 102 die gleiche Dicke haben, dann erhöht sicn die begrenzende Schwelle für die verarbeitbare Spitzenleistung auf etwa 450 V/. Eine weitere Erhöhung in der Proportion der gesamten Breiue des gyromagnetisehen Mediums 100, welches aus dem im Teil 101 enthaltenem Material besteht, bringt eine weitere Erhöhung der verarbeitbaren Spitzenleistung.

Das in Figur 25 dargestellte Bauelement unterscheidet sich nach dem in Figur 17, in dem der innen abgeschlossene Arm und das angrenzende Verlust-benaftete Material (110 beziehungsweise 112 in Figur 25) abgewandelt ist, um die mittlere verarbeitbare Leistung des Bauelementes zu verbessern. Im allgemeinen ist das Material für den inneren Abschluß und für den gewünschten Grad der Isolation ein Material, welches eine sehr hohe Dämpfung zeigt. Auf diese Weise ist es

009829/091» _oi.._NAL

BAD ORVGlNAL

möglich, den Lastwiderstand relativ kurz auszubilden. Bei einem Bauelement für eine größere zu verarbeitende Leistung sind jedoch die im Lastwiderstand auftretenden Temperaturen oft größer als die Temperaturen, welche dieses Material aushält, so daß dieses Material auseinanderbricht oder zu eiruem Brand führt, so daß das Bauelement zerstört wird. Beispielsweise ist ein für hohe Belastung verwendbares Material PoIyiron, welches einen Dämpfungsfaktor von 80 dB „ Zoll hat und Temperaturen bis zu 2oO°C aushält, so daß sich damit ein typisches Bauelement der beschriebenen Art mit einer maximalen mittleren Leistung von 50 W aufbauen läßt. Da der größere Teil, der durch ein solches Belastungsmaterial absorbierten und abgeführten Energie in der Nähe der Trennfläche zwischen dem Verlust-behaftetem Material und dem B'erritmaterial auftritt und da ein derartiges Material die Wärme nicht besonders gut abführt, läßt sich lediglich durch Verlängern des den Lastwiderstand bildenden Materials eine nennenswerte Erhöhung der maximalen verarbeitbaren Leistung erreichen. Hierzu muß vielmehr das Verlustmaterial nicht nach seinen Absorptions- und Dämpfungseigenschaften ausgewählt v/erden, sondern vielmehr nach seinem Wärme Übergangs verhalt en und nach seiner Temperaturfestigkeit hinsichtlich der auftretenden Erwärmung. Da die Absorptionseigenschaften des Materials nicht optimal gewählt werden können, muß seine Länge vergrößert werden, damit der gewünschte ausreichende Grad der Isolation erreicht wird. Ein hierfür besonders geeignetes Material ist das unter dem Namen Carborund bekannte Siliciumkarbid. Damit keine Energie in den umgebenden Bereich abgestrahlt wird, soll der in Berührung mit dem Ver- ■ lust-behafteten Material stehende'Teil des Bauteiles lang im Vergleich zur Wellenlänge der niedrigsten Betriebsfrequenz sein, vorzugsweise mindestens 3 χ so lang.Obgleich in den Zeichnungen das den Lastwiderstand bildende Material als stumpf aufhörend dargestellt ist, kann es gegebenenfalls genausogut mit einem verjüngenden Verlauf benutzt werden.

009829/0918

Bei Verwendung eines Lastwiderstandes der vorbeschriebenen Ausführung anstelle einer üblich ausgebildeten Last in einem Isolator nach Figur 2o ergibt sich eine Erhöhung der Grenzleistung von ^)O auf y$Q Yi.

Eine andere Einflußgröße für die Gesamtbetriebseigenschaften eines Mikrowellenzlrkulators oder -Isolators ist die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes innerhalb des Ferritmaterials. Im allgemeinen werden in Ferritbauelementen der in Rede stehenden Art zwei Grundmaterialien für die Magnete verwendet. Eines dieser Materialien ist ein Kerainikmaterial mit einer' Teilchenorientierung, das andere ist ein aus Aluminium, Nickel und Kobalt bestehendes Material, sogenanntes Alnico. Die Keramikmagnete sind im allgemeinen senr gleichförmig in ihren magnetischen Eigenschaften, aber ihre T mperaturfestigkeit ist nicht so gut wie die von Alnicomagneten. Andererseits sind die Alnicomagnete infolge von Einschlössen und infolge ihrer Metallstruktur nicht so gleichmäßig hinsichtlich der Ausbildung ihres Magnetfeldes.

Bei üblichen Ferritbauelementen, sei es in Bandleitungs-, in Mikrostreifen- oder in Hohlleitertechnik, sind die zur Erzeugung des Magnetfeldes im Bauelement benutzten Magnete neben dem Ferrit in reliefartigen Einschnitten der normalerweise aus Aluminium hergestellten Deckplatten angeordnet. Odgleich die Alurainiumdeckplatten die Gleichförmigkeit des Feldes nicht nennenswert beeinflussen, sondern das vom Magnet erzeugte Feld zuin^ Ferrit gelangen lassen, läßt sich mit dieser Anordnung zwar ein zufriedenstellendes Arbeiten mit üblichen Ferritbauelementen erreichen aber jede weitere Verbesserung der Gleichförmigkeit des F ldes bringt praktisch keine nennenswerte 'Verbesserung des Betriebsverhaltens eines solchen Bauelementes. Beim Betrieb von Zirkulatoren nach der Erfindung werden andererseits die Betriebseigenschaften durch die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes innerhalb des Zirkulators ganz wesentlich verbessert.

009829/0918

BAD ORIGINAL

Ein Verfahren zur Herstellung eines givichförmigen Feldes im Bauelement besteht darin, daß man die Deckplatten vöiiie aus einem magnettisch weichen oder permeablen Material, wie kaltgewalztem Stahl herstellt. Während ein solcher Dcckplattenaufbau zu einem gleichförmigen F'.la führen würde, aber zusätzlich das Gesamtgewicht in unerwünschter Weise erhöhen würde, würde er auch ίνα einer Verteilung des Feldes doer eine wesentlich größere Fläche, nämlich die gesamte Oberfläche der Deckplatte, führen und damit relativ ^rolie Magnete erfordern, damit die benötigte Feldstärke im Bauelement zur richtigen Vormagnetisierung ues Ferritmaterials erreicht wird. Die Figuren 2b und 29 veranschaulichen einen verbesserten Plattenaufbau fir das Bauelement nach Figur 2-j, der so ausgebildet ist, daß ein gleichförmiges Feld innerhalb des Bauelementes hervorgerufen werden kann, ohne das große Magnete oenötigt werden.

der Figuren 2c and 29 läwt sich aucn sehen, daß die in den Figuren 25 und 26 mit 114 bezeichnete Deckplatte eine ,Platte oder ein Blatt Ho aus einem Material aufweist, welches ein relativ guter Leiter ist, nicht magnetisch ist und die Wärme ^\xt abführt, beispielsweise aus Aluminium. Der angrenzend an den Ferrit angeordnete Teil der Platte wird bis auf das Paar Arme 119 und 120 entfernt. Eine Platte 121 aus vorzugsweise nochpermeablen ferromagnetische«! Material, beispielsweise kaltgewalzter Stahl, wird dann an den /innen und 120 beispielsweise mit Hilfe von Schrauben 122 befestigt« Viie die Figuren erkennen lassen, ist aie Dicke der .irme lly und 120 reduziert und die Dicke der Platte 121 ist so gewählt, daß die Oberflächen der Platten lld und 121 neben dem Bauteil kopianar sind, wobei die Platte 121 einen Teil der Deckplatte darstellt. Zur Vermeidung von Beeinträchtigungen oder Korrosionserscheinungen der Deckplatte ebenso wie zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit ist die ferromagnetische Platte 121 vorzugsweise mit einem leitenden, im wesentlichen korrosionsfesten Material wie beispielsweise Silber oder Gold überzogen.

009829/0918

BAD ORiGlNAL

V/ird die verbesserte Grundplatte nach Figur 29 verwendet, .wie es in Figur 2o angedeutet ist, dann befindet sich die ferromagnetische Platte 121 unmittelbar in Kontakt mit dem gyromagnetischem Medium 100 und ist so angeordnet, daß ihre benachbarten Ooerflachen praktisch die gleiche ausdehnung haben. Der Magnet 116, der in die in den Armen 119 und 120 ausgebildete Ausnehmung paßt ist mit einer seiner Ooerflächen in unmittelbarer Berührung mit der ferromagnetischen Platte 121 und hat praktisch die gleiche Ausdehnung.

Der Ersatz der Deckplatte nach den Figuren 2ö und 29 (unter Verwendung von Aluminium und kaltgewalztem Stahl für ihre beiden Teile ) anstelle einer üblichen, nur aus Aluminium bestehenden Deckplatte bei einem Ferritisolator wie er in Figur 2p dargestellt ist, führt zu wesentlichen Verbesserungen des Betriebsverhaltens, selbst wenn man die Vormagnetisierung durch Keramikmagnete erzeugt. Untersuchungen eines solchen Bauelementes haben gezeigt, dass mit dieser verbesserten Deckplatte die Bandbreite an jedem Ende des Frequenzbandes um 15/6' größer -wird, daß die Isolation besser wird, daß die Einspeisungsverluste um 0,23 dB herabgesetzt werden und daß die Temperaturstabiiität verbessert wird.

Obgleich der Teil 118 der Deckplatte als masive Platte dargestellt ist, ist dies nicht notwendig. Beispielsweise kann der Teil 118 unter Verwendung einer Schicht leitenden nicht magnetischen Materials, beispielsweise Aluminium, auf einer Platte aus nicht magnetischem, nicht leitendem Material, beispielsweise Bakelit, durch Auf plattieren, Ablagern oder dergleichen ausgebildet werden. Hierbei ist natürlich darauf zu achten, daß die leitende, nicht magnetische Schicht eine genügende Eindringtiefe aufweist, damit eine Fortleitung der Energie möglich ist.

Figur ^O zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Bauteiles nach der Erfindung, bei welcher sich die äußeren Schal-

009829/0918

tungsteile leichter anschließen lassen. Bei der hier beschriebenen Grundform der Erfindung ist es erforderlich, weil das gyromagnetische Medium des Ferrits 100 praktisch bis zu den Rändern des Bauteiles reicht, daß die Breite der Arme sehr gering ist, damit die Arme hinsichtlich ihrer Impedanz an die äußere Schaltung angepaßt werden können, beispielsweise an einen 50 Ohm-Wellenwiderstand einer Leitung. Beispielsweise würde die normale Breite für einen Arm in der Größenordnung von 0,25 rom liegen. Derartig kleine aomessungen machen es sehr schwierig und teuer, die Schaltung an das Verbindungsstück anzuschließen. Die verbesserte Ausführungsform nach Figur 30 erleichtert den Anschluss des Bauteiles 104 an eine äußere Schaltung, insbesondere an ein Verbindungsstück, durch das Vorsehen von leitenden Fortsätzen, beispielsweise 130 und 131 an den entsprechenden Armen. Unter Anwendung üblicher Aufbautechniken wird der Oberflächenbereich der leitenden Teile I30, I3I ^s0 berechnet, daß die gev/ünschte Impedanz .für eine Anpassung an die äußere Schaltung erreicht wird. Da die Teile I30, I3I nicht von dem Ferritmaterial oedeckt sind, und vorzugsweise von einem Luftdielektrikum umgeben sind, ist ihr Oberflächenbereich (Breite) v.esentlich größer als der des Bauteiles an seinen Armen.

Gegebenenfalls können die Teile 130 und IjJl selbst mit Fortsätzen 132 und 133 reduziertem Oberflächenbereich versehen v/erden,· welche dann die Verbindungsstellen zu den Anschlüssen des Bauteiles bilden; der Oberflächenbereich der Fortsätze 132, 133 ist so bemessen, daß jeder ungleiche Abstand des Yerbindungspunkfces zwischen den Deckplatten kompensiert wird.

Ein Teil der vor beschriebenen «usführungs formen von ZIrkulatoren nach der Erfindung sind ohne Mode-Unterdrücker beschrieben wordenj damit die Beschreibung nicht zu umfangreich wird. Selbstverständlich können natürlich alle beschriebenen Zirkulatoren auch mit Mode-Unterdrückern versehen sein, ohne daß dies noch im einzelnen ausgeführt werden müßte.

009829/0918

BAD

39 195858

LITERATURVERZEICHNIS

1. H. Eosma, "On stripline ί-circulation at UKFj" IEEE Trans. Microwave Theory and Tecnnigues, vol. MTT-12, jό.61-< £ January 19o4.

2· C. E. Fay ana R.L. Comstock, "Operation of the l'crriti junction circulator," IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques vol. MTT-I.?, pp. lp-2f, January

.U. Patent No.

k. S.Rarao, J.R. VIhinnery., and T. Van Duzer, Fields and

V.aves in Communication Electronics, John ',viley,

0 09829/0918

BAD ORIGINAL

Claims (1)

1. F a t c η t ά. η ι. jν α ο ϊι _e

   Γ 1.) Laue lernen I; zur übertragung von Mikrowellen mi ι: mindestens eil.er Deckplatte, an die- ein oai-allei zu ihr verlaufendes ebenes Leiterteil angrenzt, d a d u r c h _e" ^ k ^{e n !}· ~ ζ e 1 G h η e t , daß das Leiterteli (12) eine Mehrzahl ει eil nach au 3 en verjüngender Arme (Ic, 20, 22) aufweist und eich die Imoedanz lan-^s ues Leiterteiies niciit .piöbz-Iich ändert, aaß über einen v;esentliuhen Teil, der sich verjüngenden Arme ein g;/r ο magnetisches Teil (10) angeordnet ist, und -r\.a antireu.-jend. an uie jXckolauoe (--o) ein Harnet (9p) zur" Lrseutdn_b eines ma_onetis;chen Feiaes, welches das uji'o- :na_anetise.ie T il oraktiscli völlig durchsetzt, angeordnet ist, derart, daiS das Bauelement nicht i.u iiesünanz/.ustarid arbeitet und die Energie durch das Le-iterteiJ (12) praktiscn län^s dessen Rändern fort^eleitet wird.

   2. Bauelement nach /uißpraoh 1, α a α u r c h gekennzeichnet , daß das ^romasnetische Teil (10) sich mindestens über den Rann des Leiterteiles (12) erstreckt, iärifes dessen die Energie sicn in Vorwärtsricntung ausbreitet.

   ^j. Bauelement nach Ansoruch 1, üa α u r c h κ e k e η η

   (ll'j, 120, i;.l '121; zeichnet·, dald die Deckplatte ^* Mittel aufweist, die sich in dem vom Magnet 9^ erzeugten magnetischen Feld befinden und praktisch das gesamte _&yroma&netische Teil (10) überdecken, so aaß das aetn gyromagnez±sehen Teil (10) zugeführte Magnetfeld praktisch ^leicnförmig ist.

   4. Bauelement nach Anspruch ^,dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte (2ü) im wesentlichen aus nicht maknetisehern, leitendem Material besteht und daß

   (121

   die Mitxel, v/elene das dem. oyroma^ietischen i^vii (10) zugeführte Magnetfeld gleichmäßig machen, einen aus feeromagnetischem Material bestehenden Teil der Deckplatte (26) auf-

   009829/0918

   BAD ORIGINAL

   weisen, welcher angrenzend an den Magnet (95) angeordnet ist. p. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekenn-

   (121;

   zeichnet, dass das ferromagnetische Teil das' gyromagnetische Teil (10) Derührt.

   6. Bauelement nach Anspruch 4, d a du r c h gekennzeichnet, daß die Deckplatte (2b) eine nicht magnetische, nicht leitende Platte ist, welche auf einer Oberfläche mit einer Schicht aus*nicht magnetischem, leitendem Material versehen ist, welche an das ebene Leiterteil (12) und in einer Ausnehmung der Deckplatte (2b) befestigt ist.

   /. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (95) ein Permanentmagnet ist, daß der ferromagnetische Teil der Deckplatte (2ö) aus einem hochpermeablen Material besteht und in unmittelbarem Kontakt mit dem gyrOmagnetischem Teil (10) und dem Magnet steht, und daß die an den Magnet angrenzende Berührungsfläche und der ferromagnetische Teil praktisch die gleiche Ausdennung haben.

   d. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (95) sich in unmittelbarem Kontakt mit dem ferroinagnetisehem T'jxI (12) der Deckplatte (2b) längs der gesamten angrenzenden ODerflache befindet.

   9, Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinandergrenzenden Oberflächen des Magneten (95) des ferromagne ti sehen Teils (121) die gleiche Aus^hnung haben.

   10. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische T il (121) hochpermeabel ist.

   009829/0918 ^ßA0

   11. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η z e ic h η e t , daß das ferromagnetische Material aus kalt gewalztem Stahl besteht.

   12. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte eine'das ferromagnetische Teil (121) enthaltende .luminiumplatte (118) aufweist.

   13· Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Teil (121) mit einem leitenden, korrosionsfesten Material platiert ist.

   14. Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Teil mit Gold platiert ist.

   15· Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gyromagnetische Teil (10, 100) aus einem ersten (101) und einem zweiten (102) Bestandteil zusammengesetzt ist, die aus verschiedenen Materialien bestehen und koplanar zueinander angeordnet sind, daß der erste Bestandteil (101) denjenigen Teil des Leiterteils (10) überdeckt, welcher von der Energie normalerweise in Vorwärtsrichtung durchflossen wird, und daß der zweite Bestandteil (102) denjenigen Teil des Leiterteils (10) überdeckt, welcher denWeg für die urngekehrte Flußrichtung der Energie enthält.

   16. Bauelement nach Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet, daß das Material des ersten Bestandteils

   (101) des gyromagnetischen Teils (10, 100) so gewählt ist, daß die gewünschte Bandbreite, die Spitzenleistungsgrenze und die Einspeisungsverluste in Vorwärtsrichtung des Energieflußes optimal sind, und daß das Material des zweiten Bestandteils

   (102) des gyromagnetischen Teiles (10,100) so gewählt ist,

   daß die Isolationseigenschaften in Rückwärtsrichtung des Energieflußes optimal gewählt sind, so daß die verarbeitbare Spitzen-

   009829/0918

   BAD

   leistung erhöht wird, während eine relativ hohe Dämpfung in Ruckwärtsrichtuno erhalten wird.

   1/. Bauelement nach Anspruch lö, d a d u r c h g e k e η η zeichnet, daß der den ersten Bestandteil (101 des gyromagnetischen Teils (100) bildende Anteil ein die gewünschte Spitzenleistung ergebender Minimalanteil ist.

   lö. Bauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des ersten Bestandteils (101) des gyromagnetischen Materials (100) ein dotiertes Material ist, das eine größere Spinnresonanzlinienbreite als das Material des zweiten Bestandteiles (102 hat.

   19. Bauelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Sättigung des Materials des ersten und zweiten Bestandteils (101, 102) des gyromagnetischen Teils (100) etwa bei 1100 oeziehungsweise I800 G.uss liegt.

   20. Bauelement nach Anspruch 16", da d u r c h g e k e η η zeichnet, daß eine innere Belastung, welche ein Verlusttoehaftetes Material (88) enthält, welches einen Teil des Leiterteiles (12), welcher an den zweiten Bestandteil (102) des gyromagnetischen Teils (100) angrenzt, überdeckt.

   21. Bauelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Verlust-behaftete Material (88) in Kontakt und praktisch koplanar zum zweiten Bestandteil (102) des gyromagnetischen Teils (100) verläuft.

   22. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem ein Arm (74) als Eingangsanschluss und ein zweiter Arm (Yb") als <vusgangsanschluss dient, dadurch gekennzeichnet, daß sich von einem Teil ((2) des Leiterteiles (70) ein dritter Arm (80) zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss nach außen erstreckt, dessen Län&e groß

   0098 29/0918 BAD ORIGINAL

   im Vergleich zur '..ellenlange der niedrigsten Betriebsfrequenz aen Bauelementes ist, das eine Schicht (88) aus Verlust-beha.ftetem Material praktisch die gesamte Lange des dritten ->rmes (öu) koplanar zu dem und angrenzend an das gyromagnetische Teil (ho) überaeckt und als Last für das Leiterteil (YO) wirkt., und dal? das Verlust-behaftete Material der Schicht (88) gut wärmeleitend ist und den im Betrieb des Bauelements auftretenden hohen Temperaturen standhält, so αaß die Leistungsgrenze des Bauelementes erhöht wird.

   2^. Bauelement nach Anspruch 22, dadurch gekenn- z eich η e t_, daß die Länge des dritten Armes 680) mindestens j) Wellenlängen der niedrigsten Betriebsfrequenz oeträgt.

   24. Bauelement nach Ansprucn 2.'?, dadurch gekennzeichnet, daß das Verlust-behaftete Material Siliciumkarbid ist.

   23· Bauelement nach Anspruch 16, bei dem ein Arm ((%) als Eingangsanschiuss und ein zweiter Arm ((6) als ..usgangsanschluss dient, dadurch gekennzeichnet, daß sieh von einem Teil ((2) des Leiterteiles (γθ) ein dritter Arm (bü) zwischen aem Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss nach außen erstreckt, dessen Länge groß im-Vergleich zur V.'eilenlänge der niedrigsten Betriebsfrequenz des B uc-lementes ist, da/S eine Schicht (88) aus Verlust-behai'tetom Material praktisch die gesamte Länge des dritten ..rmes (oG) kopianar zu dem und angrenzend an das gyromagnetische Teil (ob) überdeckt und als Last für das Leiterteil (γθ) wirkt, und daß das Verlust-behaftete Material der Schicht (88) gut wärmeleitend ist und den im Betrieb des Bauelements auftretenden hohen Temperaturen standhält, so daß die Leistungsgrenze des Bauelementes erhöht wird.

   25. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein ₍₄rm als Eingangsanschiuß und mindestens ein zweiter Arm als Ausgangsanschluß dient, dadurch gekennzeichnet, 'daß das gyromagnetische Teil (8b) die gesamte Ooerfläche der den Eingangs- beziehungsweise Ausgangsanschluss bildenden Arme '

   009829/0918

   BAD ORIGINAL

   ((%, (ο) überdeckt j daß das Leiterteil (/'O) weitere leitende Teile (1^0, 1^2; Yj)1,1J53) aufweist, welche von den Eingangs- und AusgangsanschiUssen wegragen und deren Ooerflächenbereiche größer als die der Eingangs- und Ausgangsarischlüsüe sind" und so ausgebildet sind, daß eine Impedanzanpassung zu der¹ angeschlossenen äußeren Schaltung erreicht wird und sich diese Schaltung leichter anschließen läßt.

   27 . Bauelement zur Übertragung von elektromagnetischen "Weilen mit einem Wellenleiter, dessen obere Betriebsfrequenz durch das Auftreten unerwünschter Schwingungsformen begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung einen Mode-Unterdrücker (39,43,t>0-6t>) zur Unterdrückung mindestens eines Teils der unerwünschten Schwingungsmodes aufweist.

   28. Bauelement nach Anspruch 2(, dadurch gekennzeichnet, daß es als Zirkulator ausgebildet 1st.

   29. Bauelement nach Anspruch 2ö, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkulator ein Bandleitungszirkulator ist und ein Zirkulatorleifcerteil (28) aufweist.

   ~jO. Bauelement nach den Ansprüche 2^5 und 29* daß aer Mode-Unterdrücker eine Deckplatte (39) aufweist, in welcher eine Mehrzahl von Scnlitzen (^O) ausgebildet sina , welche in Richtung des Strornflusses des gewünschten Scnwingungsmodes verlaufen und die zu unerwünschten Schwingungsmodes gehörigen Ströme unterbrechen

   31. Bauelement nach Anspruch 27, d a d u r c h gekennzeichnet , daß die ÜDertragungsieiturig als Isolator in Bandleitungs- oder Mikrostreifentechnik ausgebildet ist und ein Leiterteil (28) sowie ein mindestens einen Teil dieses Leiterteilrs überdeckendes ferrimagnetiaches Material0.2, aufweist und daß der Mode-Unterdrücker ein Verlust-behaftetes Material (4.2) enthält, welches mindestens einen TeLl des LeJL-

   009829/0918

   BAD ORIGINAL

   195858

   terteils (20) überdeckt, durch welchen höchstens ein Minimum von Strömen des gewünschten Schwingüngsmodes fließt.

   32. Bauelement zur Übertragung von Mikrowellen, g e kennzeichnet durch eine Deckplatte (37*4-1; 39.» 43) durch ebenes Leiterteil (28), weiches neben und parallel, jedoch im Abstand zu der Deckplatte angeordnet ist und einen mittleren Abschnitt (30) sowie eine Mehrzahl sich nach außen erstreckender verjüngender Arme (32, 34, 'j)o) aufweist und so geformt ist, dai3 längs ihm keine plötzlichen Impedanzänderungen auftreten, ferner durch ein gyromagnetisches Teil (33>35) welches durch ein Magnetfeld magnetisierbar ist und rieben dem ebenen Leiterteil (28) angeordnet ist.

   33· Bauelement nach Anspruch 32, dessen obere Betriebsfrequenz durch das Auftreten unerwünschter Schv/ingungsformen begrenzt ist, gekennzeichnet durch Mittel zur Unterdrückung mindestens einiger der unerwünschten Schwingungsformen.

   34. Bauelement zur Übertragung von Mikrowellen, dadurch gekennzei chnet , daß neben Deckplatten (3/\> 41; 39,43) ein Leiterteil (28) mit einem mittleren Abschnitt (30) und mehreren von diesem nach außen ragenden Armen (32,34,30) und neben diesem Leiterteii gyromagnetische Teile (33.»35) ₃ welche durch ein Magnetfeld magnetisierbar sind, derart angeordnet sind, daß das Bauelement nicht in Resonanz arbeitet, und daß die Ränder des ebenen Leiterteiles (28) so geformt sind, daß der Impedanzverlauf längs des Leiterteiles keine plötzlichen . nderungen aufweist.

   3ij« Bauelement nach. Anspruch 3^» dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder des Leiterteiles (28) auf beiden Seiten mindestens eines der Arme in ein sich verjüngendes Teil in Form von glatten Kurven auslaufen.

   009829/0918

   SA ORIGINAL

   Hl·

   ^q. Bauelement nach Anspruch 35> dadurch gekennzeichnet, daß die Kurven identisch sind.

   JY. Bauelement nach Anspruch 35j dadurch gekennz'eichnet, daß die Kurven Kreisbogenstücke sind.

   yö. Euuelement nach Anspruch y^_s dadurch gekennzeichnet, daß die Kurven Stücke von Exponentialkurven sind.

   39· Bauelement nach Anspruch ~j>o, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurven Stücke vonHvperbeln sind.

   40. Bauelement nach Anspruch 35* dadurch.gekennzeichnet, daß die Kurven S-feücke von Parabeln sind.

   41. Bauelemente nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterteil (28) symmetrisch ausgebildet ist.

   h2. Bauelement nach Anspruch 41, dadurch g e k e η η -

   z e ic h net,, daß die sich verjüngenden Arme (32, 34,3ü)

   in gleichen Winkelabständen vom Mittelabschnitt (JO) des Leiterteiles (28) wegragen.

   4^. Bauelement nach Anspruch >4, dessen obere Betriebsfrequenz durch das Auftreten unerwünschter Schwingungsformen begrenzt ist, geken-nzeichnet durch Mittel zur Unterdrückung mindestens einiger der unerwünschten Scmsingun^sformen.

   44. Bauelement nach Anspruch 4j5j dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Unterdrückung der unerwünschten ,Schwingungsformen Deckplatten (57*41; 39*^3) aufweisen, die als dünne leitende Schicht auf einem dickeren Verlust-behafteten Material angebracht sind, und daß in mindestens einer der dünnen Schichten Schlitze ausgebildet

   09829/0918

   HS"

   sind, welche durch sie hindurchragen und in Richtung des ütromflusses des gewünschten Schwingungsmodes verlaufen.

   4^. Bauelement nach Anspruch 4^, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Unterdrückung der uner-' "wünschten Schwingungsformen ein Verlust-behaftetes Material (41, 43) aufweisen, welches mindestens einen Teil des Leiterteiles (2fc) überdeckt, durch v/eichen höchstens ein minimaler Anteil 4er Ströme der gewünschten Schwingurigsform fließt.

   4ö. Bauelement nach Anspruch 4fj, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterteil (65) vier Arme (6y,?l, (Pi Yi})aufi:eist, von denen einer (73) durch das Verlust-behaftete Material (6l) zur Erhöhung der Isolation dieses Armes abgeschlossen ist.'

   4,. Bauelement nach Anspruch 45, dadurch gekenn- z e 1 α h η e t, daß es drei Arme ( /4, y'6, BO ) aufweist, von denen einer (bO) durch das Verlust-behaftete Material (d8) zur Erhöhung aer Isolation von diesem Arm und zur Bildung eines Isolators abgeschlossen ist.

   4b. Bauelement nach Anspruch 4/·, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Randes des Leiterteils (Iü4) zwischen zweien seiner Arme (10b, lüö) ein Widerstandsmaterial (112) vorgesehen ist.

   Ay. Bauelement nach Anspruch 28, gekenrizei c h η e t durch eine Ausbildung als Zirkulator in Mikrostreifentechnik.

   50. Bauelement nach ,.nspruch j5i?, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kurven (107) eine gerade Linie ist.

   51. Bauelement nach .jispruch 4/, dadurch gekennzeichnet, daß der die übrigen beiden Arme (1O6,1O8) verbindende Kante (101) des Leiterteils (100) eine unerwünschte Schwingungsformen möglichst wenig anregende gerade Linie ist.

   GG9828/Ö918

   BAD OBiGVNAt