[0001] Die Erfindung betrifft ein passives, nichtreziprokes Mehrtorbauelement mit einem
als Streifenleiter ausgestalteten Resonatorelement, das einen zentralen Resonanzbereich
und Anschlußleitungen mit Anpaßelementen aufweist, mit zwei scheibenförmigen Trägerplättchen
und zwei Ferritkörpern.
[0002] Ein solches Mehrtorbauelement ist beispielsweise aus Meincke, Gundlach, "Taschenbuch
der Hochfrequenztechnik", 4. Auflage, Seiten L 35 bis L 43 bekannt. Derartige Mehrtorbauelemente
finden vorwiegend als Zirkulatoren oder Richtungsleitungen Verwendung in der Mikrowellentechnik
(z.B. Radar-, Richtfunk- und Meßtechnik). Nichtreziprok bedeutet hier, daß die Übertragungseigenschaften
richtungsabhängig sind. Ein Zirkulator hat beispielsweise drei oder vier gleichberechtigte
Tore. Ein Hochfrequenzsignal, das in Tor 1 eingespeist wird, tritt im Idealfall ungedämpft
nur an Tor 2 wieder aus und an keinem anderen Tor. Ein an Tor 2 eingespeistes Signal
tritt nur an Tor 3 aus usw. Die Güte eines Zirkulators wird durch die Dämpfungen in
Durchlaßrichtung bzw. in Sperrichtung ausgedrückt.
[0003] Eine häufig verwendete Bauform derartiger Mehrtorbauelemente verwendet die sogenannte
Triplate-Technologie, bei der das Resonatorelement als Streifenleiter, also beispielsweise
als dünnes Kupferplättchen, ausgestaltet und zwischen zwei Ferritscheiben angeordnet
ist. Das Resonatorelement weist einen zentralen Resonanzbereich auf, der beispielsweise
kreisförmig oder dreieckförmig sein kann, sowie eine der Zahl der Tore entsprechende
Anzahl von Anschlußleitungen. Da in der Mikrowellentechnik vorwiegend mit Kabeln mit
einem Wellenwiderstand von 50 Ohm gearbeitet wird, sind in allen Zuleitungen Anpaßelemente
vorgesehen, die die Impedanz des Resonators an 50 Ohm anpaßt. Zur Fixierung der Position
der Ferritkörper sind diese in jeweils einem scheibenförmigen Trägerplättchen angeordnet,
beispielsweise in eine entsprechend große Ausnehmung in dem Plättchen eingebracht.
Für den Betrieb eines solchen Mehrtorbauelements ist es erforderlich, daß die Ferritkörper
(die Oberflächen, die dem Resonatorelement abgewandt sind) auf gleichem Potential
liegen. Dies wird beispielsweise durch eine Kupferumhüllung um die beiden Trägerplättchen
mit den Ferritkörpern oder durch ein Metallgehäuse um das ganze Bauelement, mit dem
die Ferritkörper leitend verbunden sind, erreicht. Zur Erläuterung des Funktionsprinzips
eines derartigen Mehrtorbauelements sei auf den genannten Stand der Technik verwiesen.
[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mehrtorbauelement der
eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß es eine geringe Baugröße aufweist
und kostengünstig hergestellt werden kann.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Resonatorelement auf jeder
Seite ein Trägerplättchen und ein Ferritkörper unmittelbar benachbart sind und daß
die Ferritkörper so ausgestaltet und so angeordnet sind, daß sie nur den zentralen
Resonanzbereich des Resonatorelements bedecken.
[0006] Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß es nicht notwendig ist, daß
das Resonatorelement vollständig von den Ferritkörpern bedeckt ist. Es wurde festgestellt,
daß es zur Erreichung der gewünschten Resonatoreigenschaften und der gewünschten Dämpfungswerte
ausreicht, wenn nur der zentrale Resonanzbereich zwischen den Ferritkörpern liegt.
Die Anschlußleitungen sowie die Anpaßelemente liegen außerhalb der Ferritkörper und
sind nicht von den Ferritkörpern bedeckt.
[0007] Durch die Erfindung kann die Größe der Ferritkörper deutlich verringert werden, was
zu einer Senkung der Herstellungskosten für ein solches Mehrtorbauelement führt. Auch
die Baugröße des Bauelements insgesamt kann dadurch reduziert werden. Aufgrund der
geringeren Größe der Ferritkörper treten auch weniger magnetische Verluste in den
Ferritkörpern auf. Dies führt dazu, daß für die Durchgangsdämpfung deutlich geringere
Werte erreicht werden können als bei den Mehrtorbauelementen der bekannten Bauart.
[0008] Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Intermodulationsverhalten verbessert wird,
d.h. daß weniger Mischprodukte als bei bekannten Mehrtorbauelementen entstehen. Solche
Mischprodukte (z.B. Signale bei Vielfachen der Nutzfrequenz) entstehen bei den verwendeten
Resonatorelementen vor allem an unregelmäßigen Ecken und Kanten des Streifenleiters.
Da diese bei der erfindungsgemäßen Anordnung jedoch nicht von den Ferritkörpern bedeckt
sind, sondern nur der als einfacher regelmäßiger Körper ausgestaltete zentrale Resonanzbereich,
können hier viel weniger Mischprodukte entstehen. Schließlich läßt sich diese einfache
Anordnung auch verhältnismäßig leicht feldtheoretisch berechnen, und auch eine Analyse
ist beispielsweise mit der Methode der Orthogonalreihentwicklung möglich. Dadurch
ist auch ein rechnergestützter Entwurf einer solchen Anordnung möglich.
[0009] In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Anschlußleitungen mit
den Anpaßelementen von den Trägerplättchen bedeckt sind. Bei dieser Ausgestaltung
kann auf einfache Weise eine Anpassung an den Leitungswiderstand der Anschlußleitungen
von i.a. 50 Ohm erfolgen.
[0010] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ferritkörper
seitlich von den Trägerplättchen umgeben sind und daß die Trägerplättchen und der
jeweils zugehörige Ferritkörper auf der dem Resonatorelement abgewandten Seite unterschiedliche
Höhe aufweisen. Seitlich umgeben meint dabei, daß die Ferritkörper und die Trägerplättchen
wenigstens teilweise in derselben Ebene angeordnet sind und daß der Ferritkörper,
der bevorzugt als flache Scheibe ausgestaltet ist, beispielsweise zentral in das Trägerplättchen
eingepaßt ist.
[0011] Bisher wurde immer davon ausgegangen, daß das Trägerplättchen mit dem Ferritkörper
eine möglichst ebene Oberfläche bilden muß, damit an Oberflächen der beiden Ferritkörper
möglichst exakt das gleiche Potential anliegt. Deshalb wurde diese Oberfläche in einem
verhältnismäßig aufwendigen und kostenintensiven Prozeß plangeschliffen. Gemäß der
Erfindung ist dieser Prozeß jedoch überflüssig, da erkannt wurde, daß auch bei Höhenunterschieden
zwischen dem Ferritkörper und dem zugehörigen Trägerplättchen die gewünschten Resonanzeigenschäften
nicht verloren gehen. Die Höhe des Ferritkörpers kann sowohl kleiner als auch größer
als die Höhe des um ihn umgebenden Trägerplättchens sein. Wichtig ist nur, daß eine
gute leitende Verbindung den Oberflächen der beiden Ferritkörper hergestellt wird.
[0012] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Trägerplättchen
aus einem dielektrischen Material mit einer Dielektrizitätzahl ε
r > 1,5, insbesondere aus Teflon, glasfaserverstärktem Kunststoff oder Bariumtitanat
und insbesondere mit einer Dielektrizitätzahl ε
r > 12 bestehen. Je größer die Dielektrizitätszahl ε
r des verwendeten Materials ist, desto kleiner können die Abmessungen der einzelnen
Elemente, insbesondere des Resonatorelements, der Ferritkörper und der Trägerplättchen
sein, da die Resonanzwellenlänge umgekehrt proportional ist zur Wurzel aus der Dielektrizitätszahl.
Bisher wurde meist ein Trägerelement aus Keramik verwendet, das aufwendig und schwer
zu bearbeiten war, d.h. daß vor allem die Ausnehmung für den Ferritkörper mit einem
Laser in den Keramikkörper eingeschnitten werden mußte. Demgegenüber haben vor allem
Teflon (mit einem ε
r von ungefähr 10) und Kunststoff den großen Vorteil, daß sie sehr leicht zu bearbeiten
sind. Die Ausnehmungen für die Ferritkörper können durch einfaches Stanzen paßgenau
gefertigt werden. Bariumtitanat ist vor allem wegen der hohen Dielektrizitätszahl
von ungefähr 40 zur Verwendung als Trägerplättchen geeignet. Dadurch sind auch die
Verluste geringer.
[0013] In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Resonatorelement Leerlaufleitungen
aufweist und daß die Ferritkörper so ausgestaltet und so angeordnet sind, daß sie
die Leerlaufleitungen nicht bedecken. Mittels solcher leerlaufender Leitungen, die
am Außenrand des zentralen Resonanzbereichs angeordnet und verschiedenartig ausgestaltet
sein können, können die Resonanzeigenschaften des Resonatorelements, insbesondere
die Resonanzfrequenz und die Dämpgungseigenschaften verändert werden. Es wurde erfindungsgemäß
erkannt, daß diese Leerlaufleitungen ebenfalls nicht wie bisher angenommen von den
Ferritkörpern bedeckt sein müssen.
[0014] In einer Weiterbildung der Erfindung sind Mittel zur Schaffung einer elektrisch leitenden
Verbindung zwischen den dem Resonatorelement abgewandten Oberflächen der Ferritkörper
und ein Permanentmagnet zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes durch die Ferritkörper
und das Resonatorelement vorgesehen. Die Mittel sind dabei beispielsweise metallische
Schichten und/oder metallische Bleche oder Plättchen, die dazu dienen, elektrische
Ströme über die dem Resonatorelement abgewandten Oberflächen der Ferritkörper und
der Trägerplättchen zu leiten.
[0015] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein gebogenes Blech
zur Zentrierung und Fixierung um das Mehrtorbauelement angeordnet ist. Während ursprünglich
die Trägerelemente, meist Keramikkörper, sowohl mit hoher Genauigkeit gefertigt werden
und zueinander ausgerichtet werden mußten, damit die Ferritkörper möglichst genau
übereinander angeordnet sind, genügt hier eine genaue Fertigung der Trägerplättchen,
was aufgrund des verwendeten Materials leicht zu erreichen ist. Eine Zentrierung und
somit eine genaue Ausrichtung der Ferritkörper übereinander wird einfach dadurch erreicht,
daß ein dünnes Blech um die Trägerplättchen und den Magneten herum gebogen wird. Das
Blech hat weiterhin den Vorteil, daß sich die von dem Magneten erzeugten magnetischen
Feldlinien durch die Ferritkörper über dieses Blech schließen können.
[0016] Bevorzugt ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, daß das Mehrtorbauelement ein Zirkulator
oder ein Isolator ist. Ein Zirkulator findet beispielsweise in der Richtfunktechnik
Anwendung, wenn für einen Richtfunksender und einen Richtfunkempfänger dieselbe Antenne
verwendet werden soll. Die an Tor 1 vom Sender eingespeiste Leistung wird dann an
Tor 2 weitergegeben, an der sich die Antenne befindet. Eine von der Antenne empfangene
Leistung wird an den an Tor 3 befindlichen Empfänger weitergereicht. In der Mobilfunktechnik
werden erfindungsgemäße Mehrtorbauelemente immer häufiger als Isolatoren (oder Richtungsleitungen)
zur Entkopplung zwischen zwei Verstärkerstufen verwendet. Eine an Tor 2 reflektierte
Leistung wird dann von einem an Tor 3 angeschlossenen Abschlußwiderstand absorbiert.
[0017] Die Erfindung betrifft außerdem auch eine Anordnung zum Senden und/oder Empfangen
von Hochfrequenzsignalen mit einem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Mehrtorbauelement.
[0018] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Mehrtorbauelements,
- Fig. 2
- ein als Streifenleiter ausgestaltetes Resonatorelement und
- Fig. 3
- ein über ein Resonatorelement gelegtes erfindungsgemäßes Trägerplättchen mit einem
Ferritkörper.
[0019] In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mehrtorbauelement gezeigt.
Mit 1 ist ein als Streifenleiter ausgestaltetes Resonatorelement bezeichnet. Oberhalb
des Resonatorelements 1 befindet sich ein scheibenförmiges, rechteckiges Trägerplättchen
2, das im Zentrum eine Bohrung aufweist, in der ein scheibenförmiger Ferritkörper
4 sitzt. Das Trägerplättchen 2 und der Ferritkörper 4 liegen unmittelbar am Resonatorelement
1 an. Spiegelbildlich zum Resonatorelement 1 befindet sich unterhalb des Resonatorelements
1 ein weiteres Trägerplättchen 3 mit einem weiteren Ferritkörper 5. Auf der Oberfläche
des Trägerplättchens 2 und des Ferritkörpers 4 ist eine dünne Kupferschicht 7 aufgebracht,
eine weitere Kupferschicht 8 befindet sich auf der freiliegenden Oberfläche des Trägerplättchens
3 und des Ferritkörpers 5. Oberhalb des Ferritkörpers 4 und der Kupferschicht 7 befindet
sich ein Permanentmagnet 6, der ein statisches Magnetfeld durch die Ferritkörper 4
und 5 und das Resonatorelement 1 erzeugt. Zwischen dem Magneten 6 und dem Ferritkörper
4 ist noch eine sogenannte Polscheibe 12, ein Stahlplättchen, angeordnet, die eine
möglichst homogene Verteilung des Magnetfelds (in der Ebene parallel zur Ebene des
Resonatorelements 1) über die beiden Ferritkörper 4 und 5 gewährleisten soll.
[0020] Über den oberen Teil der Anordnung (Trägerplättchen 2, Polscheibe 12 und Magnet 6)
ist ein erstes Metallblech 9 gebogen, das sowohl mit der Kupferschicht 7 als auch
mit dem Magneten 6 elektrisch in Verbindung steht. Über den unteren Teil der Anordnung
ist ein zweites Metallblech 10 so gebogen, daß es sich in der Ebene, in der das Resonstorelement
1 liegt, mit dem ersten Metallblech 9 überlappt und eine leitende Verbindung ergibt.
Das zweite Metallblech 10 steht außerdem elektrisch in Verbindung mit der Kupferschicht
8. Seitlich ragen zwischen den Trägerplättchen 2 und 3 Anschlußleitungen 11 des Resonatorelements
1, an die die Kabelzuführungen zu weiteren externen Bauteilen wie beispielsweise zu
einem Verstärker oder einer Antenne angeschlossen werden können.
[0021] Wie unschwer zu erkennen ist, bedecken die Ferritkörper 4 und 5 nur in einem zentralen
Bereich, nämlich dem zentralen Resonanzbereich 15, das Resonatorelement 1. Der restliche
Bereich des Resonatorelements 1 ist nur von den Trägerplättchen 2 und 3 bedeckt. Weiterhin
ist erkennbar, daß das Trägerplättchen 2 und der Ferritkörper 4 auf der dem Resonatorelement
1 abgewandten Seite unterschiedliche Höhe aufweisen. Das gleiche gilt für das Trägerplättchen
3 und den Ferritkörper 5. Eine gute Verbindung möglichst ohne Luftspalt kommt dennoch
zwischen dem Ferritkörper 4 bzw. der Kupferschicht 7 und der Polscheibe 12 dadurch
zustande, daß mittels des Metallblechs 9 von oben auf den Magneten 6 eine Kraft ausgeübt
werden kann, so daß der Magnet 6 mit der Polscheibe 12 auf die Oberfläche 41 des Ferritkörpers
4 gedrückt wird. Eine möglichst gute Verbindung ist an dieser Stelle deshalb erforderlich,
damit einerseits ein möglichst guter Magnetfluß vom Permanentmagneten 6 durch die
Ferritkörper 4 und 5 erfolgen kann. Gleichzeitig wird dadurch auch der Ferritkörper
5 auf die Kuperschicht 8 und damit auf das Metallblech 10 gedrück, so daß sich die
Magnetfeldlinien durch die Ferritkörper 4 und 5 über die Metallbleche 9 und 10 zum
Permanentmagneten 6 hin schließen können.
[0022] Die Kupferschichten 7 und 8 dienen dazu, elektrische Ströme über die dem Resonatorelement
1 abgewandten Oberflächen 41 und 51 der Ferritkörper 4 und 5 sowie der Trägerplättchen
2 und 3 zu leiten. Die Kupferschichten 7 und 8 sind mit den Metallblechen 9 und 10
leitend verbunden und liegen deshalb ebenso wie diese auf dem gleichen Massepotential.
Für den Betrieb eines solchen Mehrtorbauelements ist es erforderlich, daß an beiden
Ferritkörpern 4 und 5 an den dem Resonatorelement 1 abgewandten Seiten 41 und 51 das
gleiches Potential anliegt.
[0023] Das in Fig. 1 mit 1 bezeichnete Resonatorelement ist in Fig. 2 in einer Draufsicht
gezeigt. Zu erkennen sind der im vorliegenden Fall kreisförmig ausgestaltete zentrale
Resonanzbereich 15 sowie die drei Anschlußleitungen 11. Es handelt sich hierbei um
ein als Streifenleiter ausgestaltetes Resonatorelement für einen Zirkulator mit drei
Toren. Zur Anpassung des Resonatorelements an den Wellenwiderstand der Anschlußkabel,
der in der Mikrowellentechnik üblicherweise 50 Ohm beträgt, sind in den Zuleitungen
Anpaßelemente 14 vorgesehen. Dies können wie hier λ/4-Transformatoren oder flächenhaft
ausgebildete L-C-Glieder sein. Außerdem weist das Resonatorelement hier drei Leerlaufleitungen
13 auf, mit Hilfe derer (je nach Ausgestaltung der Leerlaufleitungen 13) die gewünschten
Resonatoreigenschaften eingestellt werden.
[0024] Anhand von Fig. 3, die den selben Maßstab wie Fig. 2 aufweist, soll deutlich werden,
in welchem Bereich das in Fig. 2 gezeigte Resonatorelement bei der in Fig. 1 gezeigten
Anordnung von den Ferritkörpern bzw. den Trägerplättchen bedeckt ist. Nur der zentrale
Resonanzbereich 15 des Resonatorelements wird von dem Ferritkörper 4 bedeckt, während
sowohl die Leerlaufleitungen 13 als auch die Anschlußleitungen 11 mit den Anpaßelementen
14 nur von dem Trägerplättchen 2 bedeckt sind. Der zentrale Resonanzbereich 15 und
der Ferritkörper 4 (sowie der hier nicht gezeigte Ferritkörper 5) haben den gleichen
Durchmesser.
[0025] Die Polscheibe 12 bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung kann entfallen, sofern auf
andere Weise eine homogene Verteilung des Magnetfelds über die Ferritkörper gewährleistet
ist, beispielsweise durch einen entsprechend großen Magneten. Auf welche Weise ein
statisches Magnetfeld durch die Ferritkörper erzeugt wird, ist für die Erfindung unwesentlich.
Der Magnet könnte auch an anderer Stelle angeordnet sein, oder es könnten zwei oder
mehr Magneten an geeigneten Stellen seitlich neben den Ferritkörpern angeordnet sein.
Das Ausmaß der Höhenunterschiede zwischen einem Ferritkörper und dem zugehörigen Trägerplättchen
ist ebenfalls für die Erfindung unwesentlich. Ein Ferritkörper könnte beispielsweise
auch eine geringere Höhe als das zugehörige Trägerplättchen aufweisen. Es muß lediglich
sichergestellt sein, daß das Magnetfeld möglichst homogen über den Ferritkörper verteilt
ist und daß Ströme von der Oberfläche eines Ferritkörpers abfließen können.
[0026] Die Ferritkörper könnten außerdem auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen, und
ist auch denkbar, daß der Durchmesser eines oder beider Ferritkörper kleiner ist als
der zentrale Resonanzbereich des Resonatorelements.
[0027] Zusammenfassend gesagt gibt die Erfindung eine Lösung an, passive nichtreziproke
Bauelemente, insbesondere Zirkulatoren und Isolatoren für die Mikrowellentechnik möglichst
klein gestalten und kostengünstig herstellen zu können. Dazu wird die Größe der Ferritkörper
reduziert, und diese werden nur noch so groß ausgestaltet, daß nur der zentrale Resonanzbereich
von ihnen bedeckt ist.
1. Passives, nichtreziprokes Mehrtorbauelement mit einem als Streifenleiter ausgestalteten
Resonatorelement (1), das einen zentralen Resonanzbereich (15) und Anschlußleitungen
(11) mit Anpaßelementen (14) aufweist, mit zwei scheibenförmigen Trägerplättchen (2,
3) und zwei Ferrikörpern (4, 5),
dadurch gekennzeichnet, daß dem Resonatorelement (1) auf jeder Seite ein Trägerplättchen (2, 3) und ein
Ferritkörper (4, 5) unmittelbar benachbart sind und daß die Ferritkörper (4, 5) so
ausgestaltet und so angeordnet sind, daß sie nur den zentralen Resonanzbereich (15)
des Resonatorelements (1) bedecken.
2. Mehrtorbauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitungen (11) mit den Anpaßelementen (14) von den Trägerplättchen
(2, 3) bedeckt sind.
3. Mehrtorbauelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkörper (4, 5) seitlich von den Trägerplättchen (2, 3) umgeben sind
und daß die Trägerplättchen (2, 3) und der jeweils zugehörige Ferritkörper (4, 5)
auf der dem Resonatorelement (1) abgewandten Seite unterschiedliche Höhe aufweisen.
4. Mehrtorbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplättchen (2, 3) aus einem dielektrischen Material mit einer Dielektizitätszahl
εr > 1,5, insbesondere aus Teflon, glasfaserverstärktem Kunststoff oder Bariumtitanat
und insbesondere mit einer Dielektrizitätszahl εr > 12 bestehen.
5. Mehrtorbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Resonatorelement (1) Leerlaufleitungen (13) aufweist und daß die Ferritkörper
(4, 5) so ausgestaltet und so angeordnet sind, daß sie die Leerlaufleitungen (13)
nicht bedecken.
6. Mehrtorbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (7, 8, 9, 10) zur Schaffung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen
den dem Resonatorelement (1) abgewandten Oberflächen (41, 51) der Ferritkörper (4,
5) und ein Permanentmagnet (6) zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes durch die
Ferritkörper (4, 5) und das Resonatorelement (1) vorgesehen sind.
7. Mehrtorbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein gebogenes Blech (9, 10) zur Zentrierung und Fixierung um das Mehrtorbauelement
angeordnet ist.
8. Mehrtorbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrtorbauelement ein Zirkulator oder ein Isolator ist.
9. Anordnung zum Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen mit einem Mehrtorbauelement
nach einem der vorhergehenden Ansprüche.