DE1097497B

DE1097497B - Transmission arrangement for very short electromagnetic waves

Info

Publication number: DE1097497B
Application number: DES66182A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Wolfgang Haken; Dipl-Ing Christ V Haza-Radlitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1958-05-22
Filing date: 1958-05-22
Publication date: 1961-01-19

Description

Ubertragungsanordnung für sehr kurze elektromagnetische Wellen Die Erfindung bezieht sich auf eine Resonanzrichtungsleitung für sehr kurze elektromagnetische Wellen.Transmission arrangement for very short electromagnetic waves Invention relates to a directional resonance line for very short electromagnetic Waves.

Es ist bekannt, mittels in einer Hohlleitung entsprechend angeordnetem vormagnetisiertem gyromagnetischem Material übertragungsrichtungsabhängige Resonanzabsorptionseffekte zu erzielen. Solche Anordnungen werden in verschiedenartigster Weise ausgebildet und angewendet. Den bekannten Anordnungen ist indes im allgemeinen ein grundsätzlicher Nachteil zu eigen, nämlich die ausgeprägte Temperaturabhängigkeit der jeweils erzielten Wirkungen. Das wirkt sich vor allem dann störend aus, wenn die jeweilige Anordnung in nicht klimatisierter Umgebung arbeiten muß oder wenn sie größere Hochfrequenzenergiemengen aufzunehmen hat. Zur Verminderung des störenden Einflusses von äußeren Temperaturschwankungen ist es bekannt, in benachbarten Temperaturbereichen unterschiedlich wirksame Anordnungen hintereinanderzuschalten. Man erreicht hierdurch zwar eine gewisse Kompensation des Einflusses äußerer Temperaturschwankungen, jedoch wird die gesamte Anordnung außerordentlich aufwendig, und die Abhängigkeit von der inneren Aufheizung des gyromagnetischen Materials bleibt unvermindert.It is known by means of appropriately arranged in a hollow pipe biased gyromagnetic material transmission direction-dependent resonance absorption effects to achieve. Such arrangements are designed in the most varied of ways and applied. The known arrangements are, however, generally a fundamental one Disadvantage to own, namely the pronounced temperature dependence of each achieved Effects. This is particularly disruptive when the respective arrangement Has to work in a non-air-conditioned environment or if they have large amounts of high-frequency energy has to include. To reduce the disruptive influence of external temperature fluctuations it is known to have arrangements of different effectiveness in adjacent temperature ranges to be connected in series. A certain amount of compensation is achieved in this way the influence of external temperature fluctuations, however, the entire arrangement extremely expensive, and the dependence on the internal heating of the gyromagnetic Material remains undiminished.

Zur Behebung der störenden Temperaturabhängigkeit, unter Vermeidung der komplizierten Mehrfachanordnung wurde bereits vorgeschlagen, eine Resonanzrichtungsleitung, bestehend aus einem vorzugsweise rechteckigen Hohlleiter, in dem ein streifenförmiges Dämpfungsglied oder streifenförmige Dämpfungsglieder angeordnet sind, insbesondere Ferritstreifen, wobei ein quer zur Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Wellen im Hohlleiter verlaufendes magnetisches Gleichfeld vorhanden ist, das so bemessen ist, daß gyromagnetische Resonanz in diesen Dämpfungsgliedern erzeugt wird, in der Weise auszubilden, daß das Seitenverhältnis des Streifens oder der Streifen in solcher Weise gewählt wird, daß eine Temperaturkompensation der gyromagnetischen Resonanz eintritt.To eliminate the annoying temperature dependency, while avoiding it the complicated multiple arrangement has already been proposed, a directional resonance line, consisting of a preferably rectangular waveguide in which a strip-shaped Attenuators or strip-shaped attenuators are arranged, in particular Ferrite strips, one being transverse to the direction of propagation of the electromagnetic Waves in the waveguide running magnetic constant field is present that so is dimensioned so that gyromagnetic resonance is generated in these attenuators, in such a way that the aspect ratio of the strip or strips is chosen in such a way that a temperature compensation of the gyromagnetic Resonance occurs.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß bei einer Anordnung nach dem älteren Vorschlag das gyromagnetische, Streifenform aufweisende Material unmittelbar an einer elektrisch leitenden und/oder einer magnetisch leitenden Fläche anliegt und daß das gyromagnetische Material aus wenigstens zwei gleichen, parallel zueinander angeordneten Streifen besteht, die in Richtung des magnetischen Gleichfeldes einander gegenüberstehen.According to the invention it is proposed that in an arrangement according to the older proposal, the gyromagnetic, strip-shaped material immediately rests against an electrically conductive and / or a magnetically conductive surface and that the gyromagnetic material consists of at least two equal, parallel to each other arranged strips, which are in the direction of the constant magnetic field each other face.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the figures.

Die Fig. 1 zeigt einen Rechteckhohlleiter 1 mit einem darin in an sich bekannter Weise angeordneten, durch ein äußeres Magnetfeld H vormagnetisierten Streifen 2 aus gyromagnetischem Material, beispielsweise Ferrit. Der Streifen 2 habe die Breite b und die Dicke d. Für eine bestimmte Größe des äußeren Magnetfeldes H hat dann die Resonanzabsorption a des gyromagnetischen Materials eine Frequenzabhängigkeit, wie sie z. B. in der Fig.2 angedeutet ist, in der als Parameter zwei unterschiedliche Temperaturen T1 und T2 des gyromagnetischen Materials berücksichtigt sind. Im allgemeinen ist der Temperatureinfluß derart, daß für b >d die Temperatur T2 höher als die Temperatur T1 ist. Diese Temperaturabhängigkeit ist darin begründet, daß die Magnetisierung M des gyromagnetischen Materials mit zunehmender Temperatur im allgemeinen abnimmt. Es gibt allerdings auch Fälle; in denen die gegensätzliche Abhängigkeit gegeben ist, doch gelten die nachfolgenden Betrachtungen und Regeln sinngemäß. Die gegensätzliche Abhängigkeit ist in der Fig. 3 dargestellt und im allgemeinen bei b << d gegeben.1 shows a rectangular waveguide 1 with a strip 2 of gyromagnetic material, for example ferrite, arranged therein in a manner known per se and pre-magnetized by an external magnetic field H. The strip 2 has the width b and the thickness d. For a certain size of the external magnetic field H then the resonance absorption a of the gyromagnetic material has a frequency dependence, as it is, for. B. is indicated in FIG. 2, in which two different temperatures T1 and T2 of the gyromagnetic material are taken into account as parameters. In general, the temperature influence is such that for b> d the temperature T2 is higher than the temperature T1. This temperature dependence is due to the fact that the magnetization M of the gyromagnetic material generally decreases with increasing temperature. There are, however, cases; in which the opposite dependency is given, but the following considerations and rules apply mutatis mutandis. The opposite dependency is shown in FIG. 3 and is generally given at b << d .

Für die weitere Erläuterung wird aus Gründen der Vereinfachung zugrunde gelegt, daß die MagnetisierungM mit zunehmender Temperatur T abnimmt. Wird für die in der Fig.1 dargestellte Anordnung das Verhältnis b/d > 1 gewählt, so läßt sich theoretisch und empirisch zeigen, daß die gyromagnetische Resonanzfrequenz coo mit der Temperatur zunimmt. Für b/d << 1 läßt sich zeigen, daß co,) bei zunehmender Temperatur T abnimmt. Somit hat im ersten Fall der Differentialquotient seinen größten positiven Wert und im zweiten Fall seinen größten negativen. Wie sich weiterhin durch umfangreiche Untersuchungen theoretischer und experimenteller Art feststellen ließ, lassen sich durch Zwischenwerte von b/d zwischen der größten negativen und der größten positiven Temperaturabhängigkeit liegende Temperaturabhängigkeiten der gyromagnetischen Resonanzfrequenz coo erzielen, so vor allem nach dem älteren Vorschlag die für Richtungsleitungen wichtige Temperaturunabhängigkeit Für den Fall der Resonanzrichtungsleitung (Resonanzabsorption in der einen Übertragungsrichtung) gelten im wesentlichen theoretisch folgende Bemessungsregeln.For the sake of simplicity, the further explanation is based on the fact that the magnetization M decreases as the temperature T increases. If the ratio b / d> 1 is selected for the arrangement shown in FIG. 1, it can be shown theoretically and empirically that the gyromagnetic resonance frequency coo increases with temperature. For b / d << 1 it can be shown that co,) decreases with increasing temperature T. Thus in the first case has the differential quotient its greatest positive value and, in the second case, its greatest negative. As has also been established through extensive theoretical and experimental investigations, intermediate values of b / d can be used to achieve temperature dependencies of the gyromagnetic resonance frequency coo between the greatest negative and the greatest positive temperature dependence, especially the temperature independence that is important for directional lines according to the older proposal In the case of the direction of resonance conduction (resonance absorption in one direction of transmission), the following design rules essentially apply in theory.

Wir legen in den Hohlleiter ein Koordinatensystem, wie in Fig.4 dargestellt, so daß die Fortpflanzungs- Bei Normaltemperatur (in der Mitte des Temperaturbereichs, der als Arbeitsbereich vorgesehen ist) sei für die verwendete Ferritsorte M =Mo. Die Arbeitsfrequenz, d. h. die Mitte des Frequenzbandes, in dem die Richtungsleitung arbeiten soll, sei coA. Man muß also H einen solchen Wert Ho geben, daß bei M = Mo die Größe co" = coA wird. Nx, Nv und N" müssen solche Werte und Wie man aus den Gleichungen (3) unmittelbar sieht, hängt die temperaturunabhängige Plattenform nicht von dem absoluten Betrage der Sättigungsmagnetisierung Mo ab, sondern nur von dem Verhältnis coA zu zweckmäßig, für aOA und Ho normierte Größen und dem Verhältnis #to Ho zu Mo. Es ist daher einzuführen. Aus (3) läßt sich Ho eliminieren. Dabei ist zu beachten, daß Ho positiv sein muß. Damit ergeben sich als Bedingung für N", Ny und Nz Es wird angenommen, eine in z-Richtung sehr lange Ferritplatte der Breite b (in x-Richtung) .und der Höhe d (in y-Richtung) mit b und d<<,. (2. = Wellenlänge) liege im freien Raum oder im Innern eines Hohlleiters, so daß die Abstände der Platte von den Hohlleiterwänden groß gegenüber b und d sind. Für die Entmagnetisierungsfaktoren N", N?, und N, dieser Platte kann man dann in (4) die magnetostatisch berechneten Entmagnetisierungsfaktoren einsetzen. Für einen in z-Richtung liegenden Zylinder von elliptischem Querschnitt mit dem Achsenverhältnis b : d ist bekanntlich richtung mit der z-Richtung und die Richtung von H mit der y-Richtung zusammenfällt. Die Ferritstreifen liegen dann ebenfalls in z-Richtung. Für die Resonanzfrequenz co,) der Ferrite gilt bekanntlich Dabei bedeuten Nx, Ny und IV" die Entmagnetisierungsfaktoren der Ferritplatten 2 in den drei Koordinatenrichtungen und y das gyromagnetische Verhältnis. Für die Änderung von aoo mit M ergibt sich daraus haben, daß bei M = Mo und H = Ho verschwindet. Dies ergibt die Gleichungen Dasselbe gilt angenähert auch für die Ferritplatte mit rechteckigem Querschnitt. Damit ergibt sich aus (4) für das Seitenverhältnis a = b/d der Ferritplatte In Fig.5 ist diese Beziehung graphisch dargestellt. Die co*-Werte liegen bei den meisten Anwendungen zwischen 0,5 und 2, die Breite b der Ferritplatte muß dann also das 0,2- bis 0,4fache der Höhe d betragen.We put a coordinate system in the waveguide, as shown in Fig. 4, so that the propagation At normal temperature (in the middle of the temperature range that is intended as the working range), let M = Mo for the type of ferrite used. The working frequency, ie the middle of the frequency band in which the directional line is supposed to work, is coA. One must therefore give H such a value Ho that when M = Mo the quantity co " = coA. Nx, Nv and N" must have such values and As can be seen directly from equations ( 3), the temperature-independent plate shape does not depend on the absolute amount of the saturation magnetization Mo, but only on the ratio coA to useful, normalized values for aOA and Ho and the relationship #to Ho to Mo. It is therefore to introduce. Ho can be eliminated from (3). It should be noted that Ho must be positive. This results in the conditions for N ", Ny and Nz It is assumed that a ferrite plate is very long in the z-direction and has the width b (in the x-direction) and the height d (in the y-direction) with b and d <<,. (2. = wavelength) lie in free space or inside a waveguide, so that the distances between the plate and the waveguide walls are large compared to b and d . For the demagnetization factors N ", N ?, and N, of this plate, the magnetostatically calculated demagnetization factors can then be inserted in (4). It is known for a cylinder in the z-direction of elliptical cross-section with the axis ratio b: d direction coincides with the z-direction and the direction of H with the y-direction. The ferrite strips then also lie in the z-direction. It is known that the following applies to the resonance frequency co,) of the ferrites Here, Nx, Ny and IV "mean the demagnetization factors of the ferrite plates 2 in the three coordinate directions and y the gyromagnetic ratio. For the change of aoo with M, it follows that at M = Mo and H = Ho vanishes. This gives the equations. The same applies approximately to the ferrite plate with a rectangular cross-section. This results from (4) for the aspect ratio a = b / d of the ferrite plate This relationship is shown graphically in FIG. In most applications, the co * values are between 0.5 and 2, so the width b of the ferrite plate must then be 0.2 to 0.4 times the height d.

Die Fig. 6 zeigt verschiedene Möglichkeiten, die Ferritplatten einer Resonanzrichtungsleitung im Rechteckhohlleiter anzuordnen. Untersuchungen bei 4 und bei 7 GHz haben ergeben, daß die Anordnungen nach Fig. 6b und 6 c mit b >d wesentlich bessere Dämpfungsverhältnisse ergeben als die Anordnung 6a mit b << d. Nach dem vorher ermittelten Ergebnis könnte man erwarten, daß für eine temperaturunabhängige Anordnung b< 1/Z d sein müßte, wobei also wesentlich mehr Ähnlichkeit zur Anordnung 6 a als zu den Anordnungen 6 b oder 6 c bestehen würde. Hiernach dürfte es nicht möglich sein, mit einer temperaturunabhängigen Plattenanordnung auch nur annähernd so gute Dämpfungsverhältnisse zu erzielen, wie mit den Anordnungen 6b und 6c. Messungen z. B. bei 4 und bei 7 GHz zeigten jedoch, daß infolge des Einflusses der Hohlleitcrwand auf das gyromagnetische Material und infolge der :endlichen Hohlleiterhöhe h bei 4 GHz b,. d und bei 7 GHz b --2d sein muß, was zu den Anordnungen nach den Fig. 6e und 6f mit b>_d führt, die noch ebenso gute Dämpfungsverhältnisse ergeben wie die Anordnungen nach den Fig. 6b und 6c.FIG. 6 shows various possibilities for arranging the ferrite plates of a direction of resonance line in the rectangular waveguide. Investigations at 4 and 7 GHz have shown that the arrangements according to FIGS. 6b and 6c with b > d give significantly better attenuation ratios than the arrangement 6a with b << d. According to the previously determined result, one could expect that for a temperature-independent arrangement b <1 / Z d would have to be, so there would be much more similarity to arrangement 6a than to arrangements 6b or 6c. According to this, it should not be possible with a temperature-independent plate arrangement to achieve damping ratios that are even approximately as good as with arrangements 6b and 6c. Measurements e.g. B. at 4 and 7 GHz, however, showed that as a result of the influence of the waveguide wall on the gyromagnetic material and as a result of the finite waveguide height h at 4 GHz b,. d and at 7 GHz b must be --2d , which leads to the arrangements according to FIGS. 6e and 6f with b> _d, which still give just as good attenuation ratios as the arrangements according to FIGS. 6b and 6c.

Es kommt also wesentlich darauf an, die Entmagnetisierungsfaktoren IV", Ny und N, der Ferritplatten so zu beeinflussen, daß die Gleichung (4) zeit Plattenabmessungen b_> d erfüllt werden kann. Es muß also erreicht werden, daß N. und N, größer werden als bei einer Platte im freien Raum nach Gleichung (5) und daß N, kleiner wird. Für eine derartige Beeinflussung der Entmagnetisierungsfaktoren gibt es folgende Möglichkeiten: a) Liegt eine Ferritplatte unmittelbar an einer elektrisch leitenden Fläche an, so vergrößern sich dadurch die für hochfrequente Magnetfelder wirksamen Entmagnetisierungsfaktoren für die Richtungen parallel zu der Fläche. Diese HF- Entmagnetisierungsfaktoren sind so zu berechnen, als ob eine Platte im freien Raum vorläge, die die Form der wirklich vorhandenen Platte, vereinigt mit ihrem Spiegelbild an der leitenden Fläche, hat. Die Platte wirkt also doppelt so dick, wie sie tatsächlich ist. Dadurch, daß die Ferritplatten direkt an den Hohlleiterwänden angebracht werden (wie etwa in Fig. 4 dargestellt), läßt sich also eine wesentliche Vergrößerung von N" erzielen.It is therefore essential to influence the demagnetization factors IV ", Ny and N, of the ferrite plates in such a way that equation (4) can be satisfied with plate dimensions b_> d . It must therefore be achieved that N. and N, are greater are smaller than with a plate in free space according to equation (5) and that N. High-frequency magnetic fields effective demagnetization factors for the directions parallel to the surface. These RF demagnetization factors are to be calculated as if there were a plate in free space, which has the shape of the actual plate, combined with its mirror image on the conductive surface The plate appears twice as thick as it actually is, because the ferrite plates are attached directly to the waveguide walls n (as shown for example in FIG. 4), a substantial increase in N ″ can thus be achieved.

b) Liegt eine Ferritplatte unmittelbar an einer magnetisch leitenden (etwa eisernen) Fläche an, so verkleinert sich dadurch der für statische Magnetfelder wirksame Entmagnetisierungsfaktor für die Richtung senkrecht zu der Fläche. Dieser Entmagnetisierungsfaktor ist bekanntlich ebenfalls so zu berechnen, als ob eine mit ihrem Spiegelbild vereinigte Platte im freien Raum vorläge. Da bei einer Richtungsleitung nach Fig. 4 der Entmagnetisierungsfaktor N, nur auf das statische Feld H wirkt, läßt sich Ny also dadurch wesentlich verkleinern, daß die eisernen Magnetpolschuhe, wie in Fig. 7 dargestellt, bis unmittelbar an die Ferritplatten herangeführt werden.b) Is there a ferrite plate directly on a magnetically conductive one (e.g. iron) surface, the size for static magnetic fields is thereby reduced effective demagnetization factor for the direction perpendicular to the surface. This As is well known, the demagnetization factor must also be calculated as if a plate united with its mirror image in the free space. As with a direction line according to Fig. 4 the demagnetization factor N, only acts on the static field H, Ny can therefore be made considerably smaller by the fact that the iron magnetic pole pieces as shown in Fig. 7, to be brought directly up to the ferrite plates.

c) Liegen zwei Fercitplatten einander in y-Richtung gegenüber (etwa wie bei Anordnung nach Fig.6f, im Gegensatz zur Anordnung nach Fig.6e), so ist N, verkleinert und Nx vergrößert.c) Are two Fercit plates facing each other in the y-direction (approx as in the arrangement according to FIG. 6f, in contrast to the arrangement according to FIG. 6e), then N, decreased and Nx increased.

Bei Arbeitsfrequenzen coA von 4,0 und 7,3 GHz wurden temperaturunabhängige Plattenformen experimentell ermittelt. Als Material diente ein besonders hochwertiges Ferrit. Es hat eine Sättigungsmagnetisierung Mo von etwa 1950 Gauß und gestattet, Dämpfungsverhältnisse von über 100 bei 100/, Bandbreite zu erzielen. Bei 4 GHz wurden die Messungen in einem Hohlleiter mit den Querschnittsabmessungen b' = 58,2 mm und h = 7 mm durchgeführt. Es ergab sich zunächst, daß bei Einsatz von nur zwei Ferritplatten (Anordnung nach Fig.6e) für die Temperaturunabhängigkeit Abmessungen von bld<0,8 erforderlich waren, dabei trat eine erhebliche Abnahme des Dämpfungsverhältnisses auf. Bei Einsatz von vier Platten (Anordnung nach Fig.6f) ergab sich dagegen die Temperaturunabhängigkeit bei bld = 0,94 ohne merklichen Verlust an Dämpfungsverhältnis. Bei einer Arbeitsfrequenz wA von 7,3 GHz wurde im Hohlleiter mit den Querschnittsabmessungen b' = 34,85 mm und h = 5 mm gemessen. Hier ergab sich Temperaturunabhängigkeit bei b/d = 2,25 (Anordnung nach Fig.6f) ohne jeglichen Verlust an Dämpfungsverhältnis.Temperature-independent plate shapes were determined experimentally at working frequencies coA of 4.0 and 7.3 GHz. A particularly high-quality ferrite was used as the material. It has a saturation magnetization Mo of around 1950 Gauss and allows attenuation ratios of over 100 to be achieved at 100 /, bandwidth. At 4 GHz, the measurements were carried out in a waveguide with the cross-sectional dimensions b ' = 58.2 mm and h = 7 mm. It initially emerged that when only two ferrite plates (arrangement according to FIG. 6e) were used, dimensions of bld <0.8 were required for temperature independence, with a considerable decrease in the damping ratio. When using four plates (arrangement according to FIG. 6f), on the other hand, the temperature independence was obtained at bld = 0.94 without a noticeable loss of the damping ratio. At an operating frequency wA of 7.3 GHz, measurements were made in the waveguide with the cross-sectional dimensions b '= 34.85 mm and h = 5 mm. Here there was temperature independence at b / d = 2.25 (arrangement according to FIG. 6f) without any loss of damping ratio.

Im Diagramm der Fig. 5 sind die beiden experimentell ermittelten Meßpunkte für 4 und 7;3 GHz mit eingezeichnet. Es ist ersichtlich, daß die b/d-Werte dabei infolge der Hohlleitereinflüsse wesentlich größer sind als für eine Platte im freien Raum. Sowohl bei 4 GHz als auch bei 7,3 GHz wurde festgestellt, daß das Heranziehen der Polschuhe bis an die Ferritplatten (Fig. 7) die erforderlichen b/d-Werte merklich vergrößert.The diagram in FIG. 5 shows the two experimentally determined measuring points for 4 and 7; 3 GHz also shown. It can be seen that the b / d values thereby due to the waveguide influences are much larger than for a plate outdoors Space. Both 4 GHz and 7.3 GHz were found to pull the pole shoes up to the ferrite plates (Fig. 7) the required b / d values noticeably enlarged.

Wie aus den Messungen hervorgeht, ist es erforderlich, alle drei im vorigen Abschnitt genannten Möglichkeiten zur Beeinflussung der Entmagnetisierungsfaktoren auszunutzen, zum wenigsten aber die dritte Möglichkeit mit einer der beiden ersten Möglichkeiten gleichzeitig anzuwenden, um ohne Verlust an Dämpfungsverhältnis die Temperaturunabhängigkeit zu erzielen. In den Fig.4, 6c, 6f und 7 sind Beispiele derartiger erfindungsgemäßen Resonanzrichtungsleitungen dargestellt.As can be seen from the measurements, it is necessary to have all three im possibilities for influencing the demagnetization factors mentioned in the previous section to use, but at least the third option with one of the first two Possibilities to use simultaneously in order to achieve the To achieve temperature independence. In Figures 4, 6c, 6f and 7 are examples such resonance direction lines according to the invention shown.

Claims

PATENT CLAIM: Direction of resonance line for very short electromagnetic waves, consisting of a wave guide with gyromagnetic strip-shaped material arranged therein with substantial extension of the same in the direction of transmission, which is penetrated by a magnetic constant field of a permanent magnet system provided outside the wave guide and whose cross-sectional dimensions are selected so that the gyromagnetic resonance frequency is temperature-independent in a first approximation, characterized in that the gyromagnetic, strip-shaped material is in direct contact with an electrically conductive and / or magnetically conductive surface and that the gyromagnetic material consists of at least two identical strips arranged parallel to one another, which in the direction of the magnetic Face each other. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1029 434. Older patents considered: German Patent No. 1038 623.