CH671117A5

CH671117A5 -

Info

Publication number: CH671117A5
Application number: CH2970/86A
Authority: CH
Inventors: Erich Dr-Ing Pivit; Wolfgang Dr-Ing Hauth; Guenter Dr-Ing Moerz; Sigmund Dipl-Ing Lenz
Original assignee: Ant Nachrichtentech
Priority date: 1985-07-30
Filing date: 1986-07-24
Publication date: 1989-07-31
Also published as: DE3527189C2; DE3527189A1; US4717895A; JPS6229201A; JPH09374U

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen für Hochfrequenzleistungen ausgelegten Hohlleiterverzweigungszirku-lator, in dessen Resonanzraum mehrere mit Ferritscheiben belegte, auf gegenseitigen Abstand gehaltene und gekühlte Metallplatten übereinander angeordnet sind, und der ein ausserhalb des Resonanzraumes angeordnetes Magnetsystem besitzt, welches ein senkrecht zu den Ferritscheiben ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt.

Ein derartiger Hohlleiterverzweigungszirkulator ist aus IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag-17, Nr. 6, Nov. 1981, S. 2957-2960 bekannt. Dieser Zirkulator ist bei einer Betriebsfrequenz von 500 MHz für eine Hochfrequenzleistung von maximal 250 kW ausgelegt und hat dabei eine Durchgangsdämpfung von ca. 0,2... 0,4 dB und eine relativ schmale Bandbreite von ca. 0,64%, weswegen der Zirkulator sehr empfindlich auf Leistungsschwankungen reagiert. Ausserdem besitzt der bekannte Hohlleiterverzweigungszirku-lator sehr grosse Abmessungen. Er benötigt deshalb eine äusserst hohe magnetische Energie, die nur mit einem aufwendigen und grossräumigen Elektromagneten aufgebracht werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen für Hochfrequenzleistungen ausgelegten Hohlleiterverzwei-gungszirkulator anzugeben, der eine möglichst kleine Bauform aufweist und ein weniger aufwendiges, kleinvolumiges Magnetsystem erfordert.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Zweckmässige Ausführungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Dadurch, dass nach der Erfindung die Zirkulatorhöhe reduziert wird, benötigt man vorteilhafterweise weniger mit Ferritscheiben belegte Metallplatten und kommt mit einer geringeren Magnetisierungsenergie aus, was wiederum ein weniger aufwendiges und weniger voluminöses Magnetsystem erfordert als der Stand der Technik. Wegen der geringen erforderlichen Magnetisierungsenergie kann sogar ein Permanentmagnet eingesetzt werden, der im Gegensatz zum Elektromagneten keine Energie verbraucht.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht und

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt A-A durch einen Hohl-leiterverzweigungszirkulator.

Der hier beschriebene für eine Hochfrequenzleistung von mehr als 300 kW und eine Betriebsfrequenz von 500 MHz ausgelegte Hohlleiterverzweigungszirkulator dient beispielsweise zur Einspeisung von sehr hoher HF-Energie in die Resonatoren eines Teilchenbeschleunigers. Dabei entkoppelt der Zirkulator die diese HF-Leistung erzeugenden Hochleistungsklystrons von der Last, so dass diese nicht durch reflektierte Leistungsanteile zerstört werden.

Ein derartiger Hohlleiterverzweigungszirkulator besitzt, wie die Fig. 1 zeigt, drei um jeweils 120° gegeneinander versetzte Verzweigungen 1,2 und 3, welche jeweils mit einem Anschlusshohlleiter 4,5 bzw. 6 verbunden sind.

Den inneren Aufbau und die Anordnung des Magnetsystems des Zirkulators verdeutlicht ein durch die Längsachse des Verzweigungsarmes 1 gehender, in Fig. 2 dargestellter Schnitt A-A.

Im Resonanzraum 7, von dem die Verzweigungsarme 1,2 und 3 ausgehen, sind vier auf gegenseitigen Abstand gehaltene Metallplatten 8 übereinander angeordnet. Diese Metallplatten 8 dienen als Träger für auf der Ober- und Unterseite aufgebrachte Ferritscheiben 9. Der den nichtreziproken Effekt des Zirkulators bewirkende Ferrit ist deshalb in mehrere dünne Scheiben 9 aufgeteilt, um den Temperaturgradienten im Ferritmaterial, hervorgerufen durch die hohe Betriebsleistung so klein wie möglich zu halten. Die Aufteilung des Ferritmaterials in mehrere Scheiben hat zur Folge, dass der «effektive Füllfaktor» (Verhältnis der Summe der Dicke aller Ferritscheiben zu Gesamthöhe) kleiner ist als bei herkömmlichen Hohlleiterzirkulatoren für kleine Leistungen, wo typische Füllfaktoren von 0,6... 1,0 verwendet werden. Da Füllfaktor und Bandbreite einander proportional sind, ist die erreichbare Bandbreite für Höchstleistungszirku-latoren im allgemeinen geringer als die für Kleinsignalzirku-latoren. Die weiter unter näher beschriebenen Massnahmen bewirken aber eine Erhöhung der Bandbreite. Um die in den Ferritscheiben entstehende Wärme abzuführen, weisen die Metallplatten 8 Hohlräume auf, welche von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Ein geeignetes Ferritmaterial, welches sich durch eine sehr geringe Dämpfung von 0,04 dB bei 500 MHz auszeichnet, hat z.B. eine Sättigungsmagnetisierung 4 7i Ms von etwa 1000 G und eine Linienbreite A H von ca. 20 Oe. Die Ferritscheiben 9 setzen sich aus mehreren auf die Metallplatten 8 aufgeklebten dreieckförmigen Segmenten zusammen, zwischen denen kleine Luftspalten (» 50 [im) bestehen.

Der Hohlleiterverzweigungszirkulator ist in seiner Höhe gegenüber den für die Betriebsfrequenz normal dimensionierten Anschlusshohlleitern 4, 5,6 etwa im Verhältnis von

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z.B. 0,6 :1, jedoch um mindestens 20%, reduziert. Diese Höhenreduktion des Zirkulators hat vorteilhafterweise zur Folge, dass sich die Zahl der im Resonanzraum 7 unterzubringenden mit Ferritscheiben 9 belegten Metallplatten 8 gegenüber einem Resonanzraum mit Normalhöhe verringert und dass auch für den kleineren mit weiniger Ferritscheiben 9 bestückten Resonanzraum 7 eine niedrigere Magnetisierungsenergie aufgebracht werden muss.

Je geringer die aufzubringende Magnetisierungsenergie ist, ein desto kleinvolumigeres und weniger aufwendiges Magnetsystem wird benötigt. Aus diesem Grund kommt man beim vorliegenden Zirkulator auch nur mit einem Permanentmagneten aus, der den Hauptanteil der Magnetisierungsenergie liefert. Der Permanentmagnet besteht, wie Fig. 2 zeigt, aus zwei oberhalb und unterhalb des Resonanzraumes 7 angeordneten Magnetkernen 10 und 11, deren Magnetfeld über ein Joch 12 zurückgeschlossen ist. Die beiden Permanentmagnetkerne 10 und 11 sind jeweils von einer elektrischen Spule 13 und 14 umgeben. Die elektrischen Spulen 13 und 14 dienen einerseits dazu, die Magnetkerne 10 und 11 erst dann zu magnetisieren, wenn sie an dem Zirkulator montiert sind, weil eine Montage bereits vorher magnetisierter Kerne wegen der grossen magnetischen Kräfte sehr schwierig ist. Andererseits stellen die elektrischen Spulen 13 bzw. 14 mit den Kernen 10 bzw. 11 einen Elektromagneten dar, dessen Magnetfeld in Abhängigkeit von dem die Spulen durchfliessenden Strom steuerbar ist. Der Elektromagnet liefert zusätzlich zu der vom Permanentmagneten ausgehenden Magnetisierungsenergie einen nur geringen Magnetisierungsanteil, der so eingestellt wird, dass Änderungen der Streuparameter des Zirkulators, verursacht durch Leistungsschwankungen, kompensiert werden.

Bei der Dimensionierung des Zirkulators müssen zum einen die zu übertragende Hochfrequenzleitung (Spannungsfestigkeit) und zum anderen die Dämpfung berücksichtigt werden, um optimale Daten zu erreichen. Zunächst wirkt eine Reduzierung der Hohlleiterhöhe im Resonatorbereich der Spannungsfestigkeit entgegen, da die Feldstärke pro Höheneinheit ansteigt. Es muss also nach einem Kompro-5 miss zwischen minimaler Hohlleiterhöhe und maximaler Spannungsverträglichkeit gesucht werden.

Die Verluste eines Transmissionsresonators werden mit abnehmender belasteter Güte und somit auch die Resonanzüberhöhung kleiner, was die Spannungsverträglichkeit wie-10 derum erhöht. Diese Eigenschaften werden im vorliegenden Fall ausgenutzt, d.h. der höhenreduzierte Zirkulator kann bei Verwendung einer Breitbandtransformation die gleiche Leistung übertragen wie der schmalbandig dimensionierte Zirkulator mit Normalquerschnitt.

15 Mit den Querschnittssprüngen an den Übergängen von den höhenreduzierten Zirkulatorverzweigungsarmen 1, 2 und 3 auf die Anschlusshohlleiter 4,5 und 6 und einigen in den Verzweigungsarmen installierten Blindwiderstandselementen lassen sich Mehrkreisfilter realisieren, welche eine 20 sehr breitbandige Anpassung der Hohlleiterverzweigung an die Anschlusshohlleiter schaffen. Als sehr geeignete Blindwiderstandselemente erweisen sich zwischen den Hohlleiterbreitseiten erstreckende induktiv wirkende Pfosten 15,16 und 17, weil sie leicht justierbar sind und sehr hohen Feld-25 stärken standhalten. Eine optimale Konfiguration von induktiven Pfosten, mit der eine sehr hohe Bandbreite (20 dB, ca. 6%) und eine Dämpfung von < 0,1 dB erzielt wurde, besteht, wie die Fig. 1 zeigt, aus zwei nebeneinander im Abstand von li A 0,46 vom Querschnittsprung angeord-30 neten Pfosten 15,16 und einem Pfosten 17, dessen Abstand vom Querschnittsprung k/fa* 0,11 beträgt.

Wie diese Daten zeigen, hat sich die Bandbreite des vorliegenden Zirkulators um den Faktor 10 erhöht und die Dämpfung von 0,2... 0,4 dB auf < 0,1 dB erniedrigt gegenüber 35 dem Stand der Technik.

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims

671117 PATENTANSPRÜCHE

1. Ein für Hochfrequenzleistungen ausgelegter Hohlleiter-verzweigungszirkulator, in dessen Resonanzraum mehrere mit Ferritscheiben belegte, auf gegenseitigen Abstand gehaltene und gekühlte Metallplatten übereinander angeordnet sind, und der ein ausserhalb des Resonanzraumes angeordnetes Magnetsystem besitzt, welches ein senkrecht zu den Ferritscheiben ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt, ist dadurch gekennzeichnet, dass er in dem von dem Magnetfeld durchsetzten Bereich gegenüber den für die Betriebsfrequenz ausgelegten, mit den Verzweigungsarmen (1,2,3) verbundenen Anschlusshohlleitern (4,5,6) eine um mindestens 20% reduzierte Höhe aufweist und dass Querschnittssprünge an den Übergängen vom in der Höhe reduzierten Verzweigungs-zirkulator auf die Anschlusshohlleiter (4,5,6) zusammen mit anderen in den Hohlleitern angeordneten Blindwiderstandselementen (15, 16,17) Mehrkreisfilter bilden.

2. Hohlleiterverzweigungszirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Zirkulators auf das 0,6fache der Höhe der für die Betriebsfrequenz ausgelegten Anschlusshohlleiter (4,5,6) reduziert ist.

3. Hohlleiterverzweigungszirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Blindwiderstandselement in den Verzweigungsarmen mindestens ein induktiv wirkender sich zwischen den Hohlleiterbreitseiten erstrek-kender Pfosten (15,16,17) angeordnet ist.

4. Hohlleiterverzweigungszirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld von einem Magnetsystem (10,11,13,14) erzeugt wird, welches aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten besteht, wobei der Permanentmagnet den grössten Anteil der erforderlichen magnetischen Energie liefert.

5. Hohlleiterverzweigungszirkulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet steuerbar ist und leistungsabhängige Änderungen der Streuparameter des Zirkulators kompensiert.