DE1293264B - In Streifenleitungsbauweise ausgefuehrter Breitbandzirkulator - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen in Streifen- Fig. 5a und 5b ein Anwendungsbeispiel mit einer

leitungsbauweise ausgeführten Breitbandzirkulator, mit Dielektrikum ausgefüllten Streifenleitung,
bei dem auf und unter der Abzweigstelle gyromagne- Fig. 6 die Kennlinie, die die bei erfindungsge-

tisches Material angeordnet ist und an den bei Be- mäßer Ausbildung eintretende Wirkung veranschautrieb ein magnetisches Gleichfeld angelegt wird. 5 licht,

Da die Wirkungsweise derartiger Zirkülatoren all- F i g. 7 ein Schema für einen aus einer Streifengemein bekannt ist, ist eine diesbezügliche nähere leitung bestehenden bekannten Y-Zirkulator,
Erklärung darüber hier weggelassen. Zirkülatoren F i g. 8 ein Schema für einen aus einer Streifenwerden in der deutschsprachigen Fachwelt unter leitung bestehenden erfindungsgemäßen Y-Zirkulator, anderem auch als Richtungsgabeln bezeichnet. Bei io F i g. 9 bis 15 weitere Ausführungsbeispiele der einem Y-Zirkulator, bei dem in der Y- oder T-förmi- Erfindung,

gen Abzweigstelle einer Hochfrequenzleitung, wie F i g. 16 ein Vergleich des erfindungsgemäßen mit

einer Koaxialleitung oder vor allem Streifenleitung, dem bisherigen Zirkulator in der Admittanzkarte und gyromagnetischer Stoff vorgesehen und an denselben F i g. 17 die Frequenzabhängigkeit verschiedener

ein senkrecht orientiertes Magnetfeld angelegt wird, 15 Werte des erfindungsgemäßen Zirkulators im Verwird das Betriebsfrequenzband durch die Abmessung gleich mit derselben des bekannten Zirkulators.
und die Qualität des magnetischen Stoffs sowie die Die Fig. 1 zeigt die obere Ansicht des Breitband-

Abmessung jedes Teils der Leitung beeinflußt und zirkulators mit dem Resonatorkreis, wobei der Außenbestimmt, leiter einseitig weggenommen ist, damit man den Zur Verbreiterung des Betriebsfrequenzbandes 20 Innenraum der Leitung leicht sehen kann. Mit 1 ist wird bei der Erfindung von der Überlegung ausge- der Seitenteil eines zylindrischen Außenleiters dargegangen, daß die Eingangsimpedanz und damit die stellt, der unter.dem Kreuzungswinkel von 120° die Frequenzabhängigkeit des Verlustes in der Sperr- Ein- und Ausgängsklemme aufweist. 2 und 4 sind die richtung sowie des Verlustes in der Durchlaßrichtung Aussparungen, in denen die in Koaxialleitungsbaudadurch verbessert werden können, daß in der Ver- 25 weise ausgebildeten Anschlußleitungen vorgesehen längerung einer den Zirkulator bildenden Leitung ein sind. . .

Parallel- oder Reihenresonanzkreis angeordnet und Mit 5 und 7 sind die Innenleiter dieser Koaxial-

die Frequenzabhängigkeit der Impedanz oder Ad- leitungen bezeichnet, während mit 8 der Innenleiter mittanz, die durch diesen Resonanzkreis, den gyro- der Streifenleitung, der auf das Dielektrikum 9 nach magnetischen Stoff und die Leitung beeinflußt wird, 30 dem Fotoätzverfahren usw. gedruckt ist und in der innerhalb eines gewissen Bereichs kompensiert wird. Figur als Y-Form dargestellt ist, bezeichnet ist. 10 Anpassungskreise dieser Art können aber für Breit- bedeutet den gyromagnetischen Stoff, der zwischen 8 bandzirkulatoren die Schwierigkeit bringen, daß bei und dem in der Figur nicht dargestellten Außenleiter der Einführung des Parallelresonanzkreises der gyro- eingeführt ist und der kreis-, dreieckförmig usw. ausmagnetische Stoff und die Einführungsstelle des Par- 35 gebildet werden kann. Die übliche Verbindung zwiallelresonanzkreises voneinander entfernt und der sehen den Innenleitern der Koaxial- und der Strei-Raumbedarf vergrößert werden. Bei der Einführung fenleitung wird, wie aus der Verbindung zwischen 7 eines Reihenresonanzkreises wird der Raumbedarf und 8 ersichtlich ist, mittels Lötung durchgeführt, ebenfalls vergrößert, vor allem, wenn es sich um Bei der erfindungsgemäßen Verbindung werden, wie einen Halbwellenlängen-Resonanzkreis handelt. Die 40 bei den Anschlüssen 5, 6 ersichtlich ist, der AnAusführung des Anpassungskreises als Resonanzkreis schluß 6 und der Streifenleitungsinnenleiter 8 oder erfordert also zwangläufig eine gewisse Leitungs- der eine Reiheninduktivität bildende Teil 11, der eine länge, so daß eine geometrische Verkleinerung nicht Verlängerung von S darstellt, und 8 nicht elektrisch erreicht werden kann. Da ferner die Frequenzabhän- leitend miteinander verbunden, sondern in einer gigkeit der Leitungslänge bis zum Resonanzkreis mit 45 Fläche so gegenübergestellt, daß eine zur Leitung in eingeschlossen wird, kann außerdem eine Breitband- Reihe liegende Kapazität eingefügt wird,
anpassung erschwert werden. Am Anschluß 5 wird, von dem gyromagnetischen

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stoff aus betrachtet, zuerst die Reihenkapazität ein-Zirkulator einerseits für Breitbandbetrieb besser geführt und dann die aus einer dünnen Leitung 11 brauchbar und andererseits räumlich wenig aufwett- 50 bestehende Reiheninduktivität, während am Andig zu gestalten. schluß 6 die Reihenfolge der Einführung umgekehrt

Diese Aufgabe wird bei einem in Streifenleitungs- ist.

bauweise ausgeführten Breitbandzirkulator, bei dem Ein Schnitt durch die Klemmen der Koaxialleitung

auf und unter der Abzweigstelle gyromagnetisches wird in Fig. 2 gezeigt. In dieser Figur ist die Kon-Material angeordnet ist und an den bei Betrieb ein 55 struktion, von der Mittelfläche des Innenleiters bemagnetisches Gleichfeld angelegt wird, erfindungs- trachtet, nach oben und unten symmetrisch ausgegemäß dadurch gelöst, daß im Zirkulator nahe am führt, jedoch können aus Gründen einer einfacheren gyromagnetischen Stoff ein Resonanzkreis eingefügt ist. Herstellung die Innenleiter 8, 11 usw. nur auf einer Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Er- Seite des Dielektrikums 9 vorgesehen werden. Der findung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es 60 Anschluß 5 und der schmale Streifen 11 werden an zeigen der Spitze des Innenleiters der Koaxialleitung mittels

F i g. 1 und 2 jeweils die obere Ansicht der Kon- Lötung verbunden, während das vom Anschluß 5 struktion eines erfindungsgemäßen Breitbandzirkula- abgewandte Ende des Streifens 11 von dem Innentors und dessen Schnitt, leiter 8 der Streifenleitung gleichstrommäßig isoliert Fi g. 3 eine Ersatzschaltung zur Erklärung der Er- 65 ist. Die Größe der Reihenkapazität wird hierbei findung, durch die gegenüberstehenden Flächen von 8 und U, F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Konstruk- den Abstand und die Dielektrizitätskonstante des tion zur Änderung der Kapazität, Mediums zwischen diesen beiden Teilen und durch

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den Leitungscharakter bestimmt. Das zu verwen- Außer der Konstruktion in F i g. 4 ist hinsichtlich dende Dielektrikum kann aus einem Material, das im der Änderung von C, auch daran gedacht, daß die Hochfrequenzband niedrige Verluste aufweist, wie gegenüberliegenden Spalte zwischen 8 und 11 geiz. B. Polystyrol, Polytetrafluoräthylen usw., bestehen, ändert werden können oder daß 5 und 11 in bezug aber es kann sich auch um z. B. Bariumtitanat oder 5 auf 8 nach rechts gezogen werden.
Kohlenstoff enthaltendes Material handeln, dessen In F i g. 5 a und 5 b ist ein Anwendungsbeispiel des effektiver Widerstand durch die Frequenzabhängig- Erfindungsgedankens bei einer mit Dielektrikum auskeit des dielektrischen Verlustfaktors geändert wird, gefüllten Streifenleitung gezeigt. Bei der Herstellung wodurch der Selektivität Q bei der Resonanz des der Doppelstreifenleitung nach der Technik einer geStromkreises eine entsprechende Frequenzkennlinie io druckten Schaltung ist die Anwendung der Erfindung gegeben wird. Hierdurch kann die Phasendrehung sehr vorteilhaft. In der F i g. 5 ist mit 12 das ausder sich über einen· weiten Frequenzbereich er- füllende Dielektrikum bezeichnet, das aus einem Mastreckenden Impedanz auf einen gewünschten Wert terial besteht, das im Hochfrequenzbereich sehr niedgesteuert werden. Die Größe der Reiheninduktivität rige Verluste hat. Mit 13 ist ein Innenleiter bezeichwird durch die Breite, die Länge, die Dicke und den 15 net, der auf 12 gedruckt und geschaltet ist und L/ Leitungscharakter der Leitung 11 bestimmt. Der bildet. Mit 14 ist das aus gleichem Material wie bei Reihenresonanzkreis nach dieser Konstruktion weist 12 bestehende Dielektrikum gezeigt, das dem Dielekim praktischen auch die Wirkung eines Parallelreso- trikum 12 gegenübergestellt eingeführt wird. 15 und nanzkreises auf und kann somit nicht als reiner 16 stellen die Außenleiter dar, die von außen so ver-Reihenresonanzkreis angesehen werden, jedoch kann so schraubt werden, daß 12, 14 usw. angedrückt werer bei der praktischen Anwendung als Reihenreso- den. 17 und 18 sind die Innenleiter der Streifennanzkreis behandelt werden. Nach der Konstruktion leitung, die die Y-förmige Abzweigung bilden und in F i g. 1 und 2 kann die Leitungslänge, die der zwischen den gyromagnetischen Stoffen 19 und 20 Reihenresonanzkreis aufweist, stark verkürzt werden. sowie 21 und 22 geklemmt angesetzt oder angedrückt Zum Beispiel kann sie im Frequenzband von 2 GHz 25 werden. Die Teile 17, 18 und 13 sind gleichstromzu ein Zwangzigstel bis ein Dreißigstel der Wellen- mäßig voneinander isoliert, jedoch kapazitiv miteinlänge gewählt werden. ander gekoppelt. Der Wert der Kapazität C₁, die

In der F i g. 3 ist eine Ersatzschaltung für den An- durch 13 und 18 sowie 13 und 17 dargestellt wird, passungsteil von F i g. 2 dargestellt. Da die Admit- kann durch die Konstruktion nach F i g. 4 verändertanz Yf, die durch den gyromagnetischen Stoff her- 30 bar gemacht werden. Wenn nun C_t und L/ im Wert vorgerufen und vom Ende desselben betrachtet ist, entsprechend gewählt werden, wird die von 18, 19 durch den aus der Kapazität C_f und der Induktivität nach dem gyromagnetischen Stoff gesehene Impe- Lf bestehenden Parallelresonanzkreis und den Ab- danz über ein breites Band im Frequenzgang verbesschlußwiderstand Z dargestellt wird, kann die nor- sert und auch die Anpassungscharakteristik insgemierte Admittanz Y_f · Z₀ durch folgende Formel aus- 35 samt verbessert. Wenn hierbei der Abstand / zwigedrückt werden: sehen den gyromagnetischen Stoffen und der Ab-/ 1 \ stand Γ zwischen den Reihenkapazitäten des Anpas-

Yf ^zo = 1 + j{01 Cf ^L~] ' Zo- sungskreises passend gewählt wird, läßt sich auch

^ ^f' eine verbesserte Charakteristik erzielen.

Diese Beziehung ist je nach der Abmessung und 4° Im Fall nach F i g. 5 erleichtern die Teile, in die

der Qualität des gyromagnetischen Stoffs, der Cha- 19, 20 und 21, 22 eingeführt werden, die Konstruk-

rakteristik der Leitung und dem angelegten Magnet- tion von 17, 18 dadurch, daß in den Dielektrika 12,

feld etwas verschieden. Solange man aber im Nah- 14 Rundlöcher vorgesehen werden. Da bei in Strei-

bereich des gyromagnetischen Stoffs bleibt, z. B. fenleitungsbauweise ausgeführten Y-Doppelzirkula-

innerhalb einer Achtelwellenlänge, besteht diese Be- 45 toren der gleichstrommäßige Verbindungsteil der

ziehung in einem gewissen Frequenzbereich, wenn Leitung in jedem Teil weggelassen werden kann,

nur der Betrachtungspunkt etwas geändert wird. kann die Lötarbeit usw. entbehrt und die Schaltung

Weiterhin bildet Z_t den Reihenresonanzkreis nach, weiter verkleinert werden, wodurch die Herstellung

der außen zugeordnet wird. Die Reihenkapazität C_t sehr vereinfacht und der technische und herstellungs-

und die Reiheninduktivität L_t werden zu einem Wert 5° mäßige Gewinn wesentlich vergrößert wird,

gewählt, der die Wirkung von C_f und L_f aufhebt. Da- In der F i g. 6 ist zur Erläuterung der Wirkung der

durch geht die Eingangsimpedanz Z_in, von der erfindungsgemäßen Anordnung die Kennlinie der

Klemme 1-1' des Zirkulators betrachtet, in einem ge- Dämpfung in der Sperrichtung für ein relatives Fre-

wissen Frequenzbereich in eine Breitbandanpassung quenzband gezeigt, wobei α die durch Y_f in F i g. 3

über. Wenn hierbei zur Kompensation der Streuung 55 bestimmte bisherige Kennlinie der Dämpfung in der

von Cf, Lf usw. die Kapazität C_t veränderlich ausge- Sperrichtung und b die Kennlinie bei der Zuordnung

führt wird, kann eine einfache Regelung durchgeführt _yon ^ _{bedemet> Die} ^^ ^ _{Verhältnisses} _4£_,

Die F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform zur Ände- das die Dämpfung über 20 bd darstellt, beträgt im

rung der Kapazität C_t. Wenn in der Fig. 4 die 60 Fall a 20% und im Fall b etwa 60%. Durch die Zu-

Teile 8, 9 und 10 um den Winkel Θ gedreht werden, Ordnung von Z_t wird die Verlustdämpfung in der

wird die aus den Teilen U und 8 bestehende Reihen- Durchlaßrichtung kaum geändert, bzw. die Vergröße-

kapazität durch die Änderung der Verteilung des rung ist sehr gering.

hochfrequenten elektromagnetischen Feldes, vor Da es nach der Erfindung auch möglich ist, den

allem der Komponente des elektrischen Feldes inner- 65 zuzuordnenden Kreis entsprechend der phasenmäßi-

halb der Streifenleitung verringert und in C/ ge- gen Streuung von Y_f in den den gyromagnetischen

ändert, wodurch die Resonanzfrequenz von Z_t erhöht Stoff enthaltenden Innenraum einzuführen, kann auf

wird. diese Weise ein Zirkulator mit kleiner Konstruktion

und hohem Wirkungsgrad ohne Schwierigkeit geschaffen werden.

Wenn ein einen Zirkulator enthaltender Reflexionstypverstärker mit einem negativen Widerstand gebildet wird, werden infolge der Wirkung der Kapazität C_t die Gleichvorspannung und niederfrequente Wechselspannungen von der Schaltung nicht übertragen, so daß die Fortpflanzung, die Erregung und das Schwingen von Nebenwellen vermieden und damit ein stabiler Verstärker erreicht werden kann. Da ferner die Frequenzkennlinie der Impedanz gesteuert und der als konzentrierter Kreis anzusehende Resonanzkreis eingefügt wird, ist die Phasendrehung der sich über den weiten Frequenzbereich erstreckenden Impedanz gering, so daß ein Stromkreis mit einem breiten Betriebsfrequenzband und hohem Gewinn gebildet werden kann.

F i g. 7 zeigt einen aus einer Streifenleitung bestehenden Γ-Zirkulator. Wenn auf und unter der Abzweigstelle des Innenleiters 1 der Streifenleitung die Ferritscheiben 2, 3 angeordnet und durch ein nicht dargestelltes Magnetsystem das Gleichfeld HDC angelegt werden, wird bekanntlich ein Betrieb des Zirkulators nach der Folge

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für die Energie der elektromagnetischen Wellen herbeigeführt. Dieser bisherige Zirkulator hat den Nachteil, daß das Frequenzband schmal ist und höchstens nur /„ = 10% (wenn die Entdämpfung über 20 db liegt) beträgt und wenn die Bandmittenfrequenz mit /₀ bezeichnet wird.

Die Frequenzkennlinie der Admittanz in der Nähe von der Bandmittenfrequenz /₀ des Zirkulators nach Fig. 7 ist, wenn die dem Ferrit nahe liegende Ebene als Normalebene betrachtet wird, mit der Kurve 12 in F i g. 16 beschreibbar, woraus zu entnehmen ist, daß der Zirkulator äquivalent als ein nichtreziproker Resonanzkreis angesehen werden kann. Um ein breiteres Betriebsfrequenzband zu erreichen, genügt es deshalb, wenn im Abstand von einem ungeradzahligen Vielfachen etwa einer Viertelwellenlänge von außen vom Zirkulator, d.h. von der Normalebene der Kurve 12, ein Resonanzkreis mit derjenigen Kreisgüte Q unter einer Belastung, welche fast gleich ist wie bei der Kurve 12, zugesetzt wird. Aber hierbei tritt der Nachteil auf, daß sich die räumlichen Abmessungen des Zirkulators stark vergrößern und auch die Breitbandigkeit nicht so gut erreicht wird.

Durch die Anwendung der Lehre nach der Erfindung werden solche Nachteile vermieden und ein in Streifenleitungsbauweise ausgeführter Y-Zirkulator erhalten, dessen Form klein ist und der ein breites Betriebsfrequenzband aufweist.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wird zwischen den Abzweigungen an der Abzweigstelle des Innenleiters 4 der Streifenleitung ein Ansatz 5 mit geeigneter Form, die durch die Betriebsfrequenz, die Qualität und die Abmessung des Ferrits usw. bestimmt wird, zügesetzt. Wenn an dieser Abzweigstelle die Ferritscheiben 2, 3 angeordnet und von außen das Gleichfeld HDC auf einen erforderlichen Wert eingestellt werden, wird aus diesem Ansatz 5 und den Ferritscheiben 2, 3 ein Resonanzkreis gebildet. Hierbei wird die S5 Frequenzkennlinie der Admittanz, wie mit der Kurve in der F i g. 16 gezeigt ist, wesentlich verkleinert. Auf diese Weise kann ein Y-Zirkulator in Streifenleitungstechnik, der ein breiteres Betriebsfrequenzband aufweist, geschaffen werden.

Experimentell kann überprüft werden, ob die Form und Abmessung des Ansatzes 5, die Qualität und die Abmessung der Ferritscheiben 2, 3, die Dicke und Breite des Innenleiters 4 usw. aus der Bandmittenfrequenz /₀ od. dgl. rechnerisch richtig ermittelt wurden.

In den F i g. 9 bis 15 sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die Fig. 9 bis 13 zeigen den Fall, daß der Innenleiter 4 und der Ansatz 5 des Y-Zirkulators einstückig -ausgebildet sind. Die Fig. 14 stellt den Fall dar, daß auf und unter dem den Ansatz nicht aufweisenden Innenleiter 6 der zweite Leiter 7, der den Ansatz 8 mit entsprechender Form und Abmessung aufweist, mit dem Innenleiter 6 gleichstrommäßig leitend verbunden oder durch das Dielektrikum gleichstrommäßig davon isoliert überlagert ist. Dadurch, daß der Mittelpunkt O' des zweiten Leiters 7 mit dem Mittelpunkt O des Innenleiters 6 übereinstimmend ausgeführt und der Leiter 7 gegenüber dem Innenleiter 6 ein wenig gedreht oder die Drehung unter Verschiebung der Mittelpunkte O' und O durchgeführt wird, wird es ermöglicht, die durch die Ferritscheiben 2, 3, den Innenleiter 6 und verschiedene Elemente bedingte Abweichung der Admittanz an den Klemmen φ, φ, (D zu regeln oder der Admittanz an jeder Klemme unterschiedlichen Wert zu geben.

Die Fig. 15 zeigt den Fall, daß die Erfindung auf einen sogenannten T-Zirkulator angewendet ist. Durch entsprechende Wahl der Form der Ansätze 10,11 kann wie beim Y-Zirkulator ein breiteres Betriebsfrequenzband erreicht werden.

Die Erfindung kann nicht nur auf den Y- oder T-Zirkulator, sondern auch auf jeden in Streifenleitungsbauweise ausgeführten Zirkulator angewendet werden.

In der Fig. 17 sind in Abhängigkeit von einer normierten Frequenz das Stehwellenverhältnis VSWR, die Durchlaßdämpfung und die Dämpfung in Sperrichtung eines bisherigen Zirkulators (Kurven 14, 14', 14") mit den entsprechenden Werten eines erfindungsgemäßen Zirkulators (Kurven 15,15', 15") verglichen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. In Streifenleitungsbauweise ausgeführter Breitbandzirkulator, bei dem auf und unter der Abzweigstelle gyromagnetisches Material angeordnet ist und an den bei Betrieb ein magnetisches Gleichfeld angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Zirkulator nahe am gyromagnetischen Stoff ein Resonanzkreis eingefügt ist.

2. Breitbandzirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis ein Reihenresonanzkreis ist, der in den Innen- oder Außenleiterteil, wenigstens gleichstrommäßig isoliert, eingefügt ist.

3. Breitbandzirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abzweigungen in der Verzweigungsstelle des Innenleiters am Innenleiter ein Ansatz vorgesehen ist.

4. Breitbandzirkulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz aus einem vom Innenleiter getrennten Leiter besteht, der auf dem Innenleiter so angebracht ist, daß er mit diesem gleichstrommäßig leitend verbunden ist.

5. Breitbandzirkulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz aus einem vom Innenleiter abweichenden Leiter besteht, daß zusätzliches Dielektrikum zwischen dem Innenleiter und dem Ansatz eingefügt ist und daß diese drei Teile so angebracht sind, daß der

Innenleiter und der Ansatz gleichstrommäßig voneinander isoliert sind.

6. Breitbandzirkulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Lage des Ansatzes zu der Abzweigung des Innenleiters veränderbar ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

909517/382