Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltzirkulator- Anordnung mit reziprokem und nichtreziprokem Teilnetzwerk,

Fig. 2 ein Diagramm zur Bestimmung möglicher Schaltzirkulator-Arbeitspunkte und zur Dimensionierung des Reaktanznetzwerkes,

Fig. 3 einen elektronisch schaltbaren Microstrip-Zirkulator mit Schlitzleitungsring auf der Substratrückseite,

Fig. 4 einen elektronisch schaltbaren Microstrip-Zirkulator mit geteiltem Streifenleitungsring auf der Substratvorderseite,

Fig. 5a einen elektronisch schaltbaren H-Ebenen-Hohlleiter-Zirkulator mit koaxialer Stichleitung,

Fig. 5b die transversale Feldverteilung der TEM- und der H&sub1;&sub1;-Welle in der koaxialen Stichleitung des elektronisch schaltbaren H-Ebenen- Hohlleiter-Zirkulators,

Fig. 6 einen elektronisch schaltbaren Finleitungs-Zirkulator mit Streifenleitungsnetzwerk auf der Substratrückseite.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltzirkulators mit drei Toren. Ein reziprokes, drehsymmetrisches Netzwerk 1 kann durch elektronische Schalter 2 mit den Toren von Wellenleitern 3 verbunden werden, welche zu einem inneren Zirkulatorteil 4 gehören. Die Verbindung kann dabei sowohl in Parallelschaltung als auch in Serienschaltung erfolgen. Der innere Zirkulatorteil 4 enthält einen in Fig. 1 nicht dargestellten Resonator aus gyromagnetischem Material, der im Mittelpunkt der Wellenleiterverzweigung angeordnet ist und durch ein Vormagnetisierungsfeld H&sub0; konstanter Richtung magnetisiert wird. Die Verbindungsstellen der elektronischen Schalter 2 mit den Wellenleitern 3 bilden die äußeren Tore A, B, C des Schaltzirkulators. Bei abgeschaltetem Reaktanznetzwerk 1 überträgt der Schaltzirkulator in seine Tore einfallende Wellen in durch den Aufbau des inneren Zirkulatorteils 4 und die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes H&sub0; bestimmten Richtungssinn, z. B. wie in Fig. 1 angedeutet, von Tor A auf Tor B, von Tor B auf Tor C und von Tor C auf Tor A.

In einer ebenfalls erfindungsgemäßen Anordnung befinden sich die elektronischen Schalter 2 nicht an den äußeren Toren des Reaktanznetzwerkes 1, sondern schalten es an zusätzlichen inneren Toren um. In diesem Fall sind die äußeren Tore des Reaktanznetzwerkes 1 ständig mit den Toren der Wellenleiter 3 in Parallel- oder Serienschaltung verbunden. Der innere Zirkulatorteil 4 wird dann statt für reelle Bezugswiderstände für die komplexe Abschlußimpedanz ausgelegt, welche sich durch die Parallel- bzw. Serienschaltung des reellen Bezugswiderstandes der äußeren Beschaltung mit der durch das Reaktanznetzwerk 1 in einem der beiden Schaltzustände gebildeten Eingangsreaktanz ergibt.

Eine zur vorgenannten Anordnung netzwerktheoretisch äquivalente ergibt sich aus der erstgenannten, in Fig. 1 dargestellten Anordnung, wenn die elektronischen Schalter 2 nicht ideal sind, d. h. das Reaktanznetzwerk nicht in einem ihrer beiden Zustände vollständig entkoppelt wird. Ein nicht-idealer Schalter kann durch ein Ersatzschaltbild beschrieben werden, bei dem ein idealer Schalter in ein die parasitären Effekte modellierendes Netzwerk eingebettet ist. Faßt man diese Netzwerke als Teil des Reaktanznetzwerkes auf, ergeben sich innere Tore des Reaktanznetzwerkes, welche mit idealen Schaltern beschaltet sind.

Eine Umschaltung der Übertragungsrichtung bei konstanter Richtung des Vormagnetisierungsfeldes H&sub0; läßt sich erreichen, wenn bei Serienschaltung von Reaktanznetzwerk 1 und Wellenleitern 3 das aus Reaktanznetzwerk 1 und elektronischen Schaltern 2 zusammengesetzte Netzwerk bei Gleichtakt-Anregung seiner Tore zwei Eingangsreaktanzen bildet, deren Differenz ein anderes Vorzeichen besitzt als die Differenz der entsprechenden Reaktanzen, welche sich bei Anregung mit einem Drehsystem ergeben. Im Fall der Serienschaltung von Reaktanznetzwerk 1 und Wellenleitern 3 muß das aus Reaktanznetzwerk 1 und elektronischen Schaltern 2 zusammengesetzte Netzwerk bei Gleichtakt-Anregung seiner Tore zwei Eingangssuszeptanzen bilden, deren Differenz ein anderes Vorzeichen besitzt als die Differenz der entsprechenden, bei Anregung mit einem Drehsystem gebildeten Suszeptanzen.

Zur Erläuterung dieses Sachverhalts soll kurz auf die Netzwerktheorie von Verzweigungszirkulatoren eingegangen werden. Ein drehsymmetrisches, ansonsten beliebiges Mikrowellen-Dreitor besitzt eine Streumatrix der Form

Eine Streumatrix dieser Form besitzt drei Eigenvektoren, die sich als Gleichtakt-Anregung, d. h. Anregung aller Tore mit Wellen gleicher Amplitude und Phasenlage, und als links- und rechtsdrehende Anregung der Tore (Drehsysteme) mit jeweils +120° bzw. -120° Phasenverschiebung an aufeinanderfolgenden Toren auffassen lassen. Bei Anlegen einer dieser Eigenanregungen überträgt das Dreitor keine Leistung, sondern zeigt an allen Toren eine einheitliche, dem zugehörigen Eigenwert entsprechende Eingangsadmittanz.

Bei Anregung nur eines Tores und reflexionsfreiem Abschluß der anderen ergibt sich als normierte Eingangsadmittanz (s. EuMC Nürnberg 1983, pp 803ff):

Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht nun darin, durch geeignet gewählte, an den äußeren Toren des Zirkulators parallelgeschaltete Suszeptanzen die jeweils andere Zuordnung der Kurven zu den Drehsystemen herbeizuführen. Solche Suszeptanzen können durch ein reziprokes, drehsymmetrisches Reaktanznetzwerk gebildet werden, welches zumindest in einem der beiden Schaltzustände mit allen Zirkulatoren verbunden ist. Ein solches Netzwerk besitzt nämlich im allgemeinen verschiedene Eigensuszeptanzen für Gleichtakt- und Dreh- Anregungen, was sich physikalisch aus der Anregung verschiedener Feldkonfigurationen ergibt. Wegen der Reziprozität sind die zum linksdrehenden und rechtsdrehenden System gehörenden Eingangssuszeptanzen jedoch identisch.

In Fig. 2 sind die zu dem für einen ersten Schaltzustand vorgegebenen B&sub0; gehörenden Werte von B₊ und B_- eingetragen. Eine Umschaltung der Zirkulationseinrichtung mit Hilfe eines reziproken Reaktanznetzwerkes erfordert, daß sich B₊ und B_- um gleiche Beträge und in gleicher Richtung ändern. Wie man erkennt, gibt es dafür zwei Lösungen, nämlich bei B&min;&sub0; und bei B&sec;&sub0;, wo die Kurven den selben vertikalen Abstand besitzen wie im ersten Schaltzustand. Geometrisch liegen zusammengehörende Arbeitspunkte immer auf den Eckpunkten eines Parallelogramms mit vertikalen Seiten.

Einige direkt aus Fig. 2 erkennbare Zusammenhänge sollen hier kurz zusammengefaßt werden. Im Bereich zwischen den bei ±1/√ liegenden Polen haben die Kurven ihren minimalen vertikalen Abstand von 2/√ bei B&sub0;=0. Außerhalb dieses Bereichs wird dieser Abstand gerade bei B&sub0;=±1 unterschritten und strebt dann für |B&sub0;|→∞ gegen den Grenzwert 2/√. Lösungen für die Schaltbedingung findet man daher nur im Bereich -1 < B&sub0; < 1, d. h. in der linken Reflexionsfaktor-Halbebene.

Die Steigung der nicht-vertikalen Parallelogrammseiten ist immer negativ, d. h. das Reaktanznetzwerk muß eine bei Anregung mit einem Drehsystem wirksame Suszeptanz von zur Gleichaktsuszeptanz entgegengesetztem Vorzeichen aufweisen.

Die bisher angestellten Überlegungen gelten in gleicher Weise im dualen Fall, d. h. für die Eigenreaktanzen der beteiligten Netzwerke und bei Serienschaltung des Reaktanznetzwerkes 2 mit den Wellenleitern 3. Die Eingangsimpedanz hängt nämlich in formal identischer Weise von den Eigenimpedanzen ab wie die Eingangsadmittanz von den Eigenadmittanzen.

Eine wesentliche Vereinfachung für den Entwurf des erfindungsgemäßen Schaltzirkulators ergibt sich, wenn die elektronischen Schalter 2 das Reaktanznetzwerk 1 in einem Schaltzustand des Zirkulators möglichst gut entkoppeln. Dann kann der innere Zirkulatorteil 4 nach bekannten Verfahren entworfen und dimensioniert werden, oder man kann sogar auf fertige Entwürfe zurückgreifen. Im zweiten Entwurfsschritt kann über den Ort der Ankopplung des Reaktanznetzwerkes 2 an die Wellenleiter 3 noch die zu diesem Schaltzustand gehörende Gleichtaktsuszeptanz bzw. -reaktanz gewählt werden, um ein mit der vorgesehenen Form des Reaktanznetzwerkes 2 realisierbares Verhältnis der Eigensuszeptanzen zu erreichen.

Im folgenden sollen die Realisierungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Schaltzirkulators anhand von Ausführungsbeispielen in verschiedenen Wellenleitertechniken näher erläutert werden.

Bei dem in Fig. 3 in der Aufsicht dargestellten elektronisch schaltbaren Microstrip-Zirkulator wird das Reaktanznetzwerk durch einen in die ansonsten ganzflächige Metallisierung des Substrates 5 geätzten Schlitz 6 gebildet. Der innere Zirkulatorteil 4 besteht in bekannter Weise aus einem vormagnetisierten Ferritresonator 7, welcher sich zwischen einer mit den Microstripleitungen 3a verbundenen Metallisierungsfläche 8 und einer mit der Rückseitenmetallisierung verbundenen Metallwand befindet. Die Spannung einer auf einer der Microstripleitungen 3a, z. B. von Tor A aus, einfallenden Welle teilt sich an der durch den Schlitz im Verlauf der Masseelektrode gebildeten Diskontinuität auf die weiterführende Microstripleitung und den Schlitz auf, indem dadurch ein parallel zum Substrat orientiertes elektrisches Feld angeregt wird. Die links und rechts von der Microstripleitung liegenden Schlitzleitungs-Eingänge erscheinen daher einander parallelgeschaltet und in Serie zum Eingang des inneren Zirkulatorteils 4. Sie können durch die mittig zu den Microstripleitungen 3a angeordneten elektronischen Schalter 2&min; kurzgeschlossen werden, welche vorteilhaft aus Halbleiterdioden, beispielsweise pin-Dioden, gebildet werden können. Die Schaltspannung kann dann in einfacher Weise über die vom Schlitz 6 abgetrennte Metallisierungsfläche zugeführt werden.

Es hat sich gezeigt, daß die sich auf den Microstripleitungen ausbreitende Quasi-TEM-Welle im durchgeschalteten Zustand der elektronischen Schalter 2&min; durch den Schlitz kaum gestört wird, auch wenn diese, z. B. bei Verwendung von pin-Dioden in beam-lead-Bauweise, viel schmaler sind als die Microstripleitung 3a.

Im offenen Zustand der elektronischen Schalter 2&min; (z. B. bei in Sperrrichtung vorgespannten pin-Dioden) ergibt sich folgende Situation: Werden die Tore A, B und C im Gleichtakt angeregt, laufen auf der Schlitzleitung 6 von allen Microstrip-Schlitzleitungs-Übergängen aus gleichphasige Wellen in Umfangsrichtung und treffen jeweils in der Mittelebene zwischen zwei Übergängen aufeinander. Dort werden sie wie an einem idealen Schlitzleitungs-Leerlauf reflektiert. Die Gleichtakt-Impedanz des Reaktornetzwerkes entspricht somit dem Eingangswiderstand einer leerlaufenden Stichleitung mit dem halben Wellenwiderstand und einer Länge von ¹/&sub6; des Umfanges des Schlitzringes.

rende Microstripleitung und den Schlitz auf, indem dadurch ein parallel zum Substrat orientiertes elektrisches Feld angeregt wird. Die links und rechts von der Microstripleitung liegenden Schlitzleitungs-Eingänge erscheinen daher einander parallelgeschaltet und in Serie zum Eingang des inneren Zirkulatorteils 4. Sie können durch die mittig zu den Microstripleitungen 3a angeordneten elektronischen Schalter 2&min; kurzgeschlossen werden, welche vorteilhaft aus Halbleiterdioden, beispielsweise pin-Dioden, gebildet werden können. Die Schaltspannung kann dann in einfacher Weise über die vom Schlitz 6 abgetrennte Metallisierungsfläche zugeführt werden.

Es hat sich gezeigt, daß die sich auf den Microstripleitungen ausbreitende Quasi-TEM-Welle im durchgeschalteten Zustand der elektronischen Schalter 2&min; durch den Schlitz kaum gestört wird, auch wenn diese, z. B. bei Verwendung von pin-Dioden in beam-lead-Bauweise, viel schmaler sind als die Microstripleitung 3a.

Im offenen Zustand der elektronischen Schalter 2&min; (z. B. bei in Sperrichtung vorgespannten pin-Dioden) ergibt sich folgende Situation: Werden die Tore A, B und C im Gleichtakt angeregt, laufen auf der Schlitzleitung 6 von allen Microstrip-Schlitzleitungs-Übergängen aus gleichphasige Wellen in Umfangsrichtung und treffen jeweils in der Mittelebene zwischen zwei Übergängen aufeinander. Dort werden sie wie an einem idealen Schlitzleitungs-Leerlauf reflektiert. Die Gleichtakt-Impedanz des Reaktornetzwerkes entspricht somit dem Eingangswiderstand einer leerlaufenden Stichleitung mit dem halben Wellenwiderstand und einer Länge von ¹/&sub6; des Umfanges des Schlitzringes.

Bei Anregung der Tore mit einem Drehsystem werden die Eingänge jedes Schlitzleitungsdrittels mit einer Phasenverschiebung von 120° angeregt. Dies entspricht einer gemischten Anregung des Schlitzleitungsdrittels aus Gleichtakt- und Gegentaktanteilen. Die zugehörige Eigenimpedanz entspricht nun der Parallelschaltung einer am Ende kurzgeschlossenen Stichleitung mit ²/&sub3; des Wellenwiderstandes der Schlitzleitung und einer leerlaufenden Leitung mit dem doppelten Wellenwiderstand. Beide Leitungen haben eine Länge von ¹/&sub6; des Umfangs. Durch geeignete Wahl des Schlitzleitungsumfangs kann also nahezu jede Kombination von Eigenreaktanzen eingestellt werden.

Eine zweite vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Microstrip- Zirkulators ist in Fig. 4 dargestellt. Hier wird ein einseitig planarer Aufbau dadurch erreicht, daß das Reaktanznetzwerk durch bogenförmige Streifenleitungen 9 gebildet wird. Diese können durch elektronische Schalter 2&min; untereinander und mit den zuführenden Microstripleitungen 3a verbunden werden. Die Eingangsreaktanzen der Ringsegmente erscheinen dann den Toren des inneren Zirkulatorteils parallel geschaltet. Im übrigen verhalten sie sich genauso wie die Eingangsreaktanzen des ringförmigen Schlitzes 6 in Fig. 3. Die Schaltspannung kann den elektronischen Schaltern 2&min; beispielsweise über Bonddrähte 10 zugeführt werde, welche Verbindung zu einem planaren Tiefpaßfilter 11 haben. Darf kein Gleichstrom durch die äußere Beschaltung des Zirkulators fließen, muß eine zusätzliche Stromrückführung, beispielsweise eine über eine hochohmige Microstripleitung an einem Zirkulatorarm angeschlossene Durchkontaktierung vorgesehen werden.

Ein elektronisch schaltbarer Zirkulator in H-Ebenen-Hohlleitertechnik ist in Fig. 5a im Querschnitt dargestellt. Ein auf einer Transformationsstufe 12 in der Verzweigungsmitte angeordneter Ferrit-Resonator 7 befindet sich unterhalb der Stirnfläche des Innenleiters 13 einer koaxialen Stichleitung 14. Außen- und Innenleiter der Koaxialleitung sind erfindungsgemäß so gewählt, daß neben der TEM-Grundwelle auch die H&sub1;&sub1;-Welle gerade ausbreitungsfähig ist. Die Feldverteilungen dieser beiden Eigenwellen im Querschnitt der Koaxialleitungen sind in Fig. 5b dargestellt. Ihre Länge bis zum Anfang des koaxialen Tiefpaßfilters 15, welches für die Hochfrequenz einen Kurzschluß darstellt, ist etwas länger als R der Freiraumwellenlänge, so daß die Eingangsreaktanz bei Gleichtaktanregung kapazitiv ist. Gleichzeitig ist die Eingangsreaktanz für drehende Anregungen des Zirkulators induktiv, da hierbei die H&sub1;&sub1;-Welle angeregt wird. Aufgrund der für die Eigenwelle wirksamen Hohlleiterdispersion ist die Wellenlänge stark vergrößert und demzufolge die elektrisch wirksame Länge der Stichleitung 14 verkürzt. Die Stichleitung kann eingangsseitig vorzugsweise durch drei auf einer Platine 16 aus isolierendem Substratmaterial angebrachte pin-Dioden 2&min; für beide angeregten Eigenwellen wirksam kurzgeschlossen werden. Die Dioden überbrücken dabei einen in die Platinenmetallisierung eingelassenen Koppelschlitz 17. In diesem Zustand arbeitet der Zirkulator in zu herkömmlichen H-Ebenen-Hohlleiter-Zirkulatoren analoger Weise.

Werden die pin-Dioden 2&min; durch die Steuerspannungsquelle U_s in Sperrichtung vorgespannt, geben sie die koaxiale Stichleitung 14 frei. Für eine in eines der Zirkulatortore, beispielsweise Tor A, einfallende Hohlleiter-Grundwelle (H&sub1;&sub0;-Welle) erscheint nun der Eingangswiderstand der Stichleitung 14 in Serie zum Ferrit, da die Einkopplung in diesen überwiegend über dessen Stirnfläche erfolgt. Bei Anregung der Zirkulatortore im Gleichtakt oder mit einem Drehsystem ist die Stichleitung in gleicher Weise angekoppelt. Dem von der Peripherie des Ferrit-Resonators bis zum Koppelschlitz 17 transformierten Gleichtakt-Eigenwert des inneren Zirkulatorteils wird damit eine kapazitative, den entsprechend transformierten übrigen Eigenwerten eine induktive Reaktanz in Serie geschaltet. Wie Messungen ergeben haben, wird bei richtiger Einstellung der geometrischen Parameter hierdurch ein Austausch des Gleichtakt- Eigenwertes der Zirkulator-Streumatrix mit demjenigen zu einer Drehanregung gehörenden Eigenwert bewirkt, der von der zirkular polarisierten E_11δ-Eigenschwingung des Ferrits 7 mit der niedrigen Resonanzfrequenz herrührt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Innenleiter 13 mit einem über die Hohlleiterwand 19 hinausragenden Ende 18 zu versehen. Ebenfalls von Vorteil ist die Verwendung einer dielektrischen Scheibe 20 zwischen Ferrit-Resonator 7 und Innenleiterende 18. Beide Maßnahmen führen zu einer verstärkten Ankopplung der Stichleitung, was sich günstig auf die nutzbare Bandbreite auswirkt.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung eines elektronisch schaltbaren Finleitungszirkulators. Der Ferrit-Resonator 7 wird in aus der DE 32 13 831 bekannter Weise durch etwa tangential zu seiner Peripherie verlaufende Finleitungsschlitze 21 angeregt. Auf der im rechten Teil der Figur dargestellten, dem Ferrit-Resonator 7 abgewandten Unterseite des Substrats 5&min; ist eine sternfömige, drehsymmetrische Anordnung von miteinander verbundenen Streifenleitungen 22 angebracht. Diese haben offene Enden, die etwa an den dem Mittelpunkt der Anordnung näheren Längskanten der zuführenden Schlitze 3b enden. Durch elektronische Schalter 2&min; können sie mit metallisierten Flächen 23 verbunden werden, welche für die Hochfrequenz mit den äußeren Längskanten der Schlitze 3b verbunden sind. Dies kann z. B. in einfacher Weise über das Hohlleitergehäuse geschehen, da die Schlitze 3b in den zuführenden Hohlleiterarmen weit außerhalb der Mitte verlaufen. Die Schaltspannung kann den elektronischen Schaltern 2&min; über ein integriertes planares Tiefpaßfilter 11&min; zugeführt werden.