DE3732794A1 - Ferromagnetischer resonator mit einer temperatur-kompensationseinrichtung unter verwendung vorkodierter kompensationsdaten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ferromagnetischen Resonator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, der von einer ferrimagnetischen Resonanz eines ferrimagnetischen Dünnfilmes Gebrauch macht, und insbesondere auf einen ferrimagnetischen Resonator mit einer Temperatur- Kompensation.

Es wurde bereits ein ferromagnetischen Resonator zur Verwendung in einem Mikrowellengerät als Filter oder als Oszillator vorgeschlagen. Ein derartiger ferromagnetischer Resonator wird durch einen ferrimagnetischen Dünnfilm gebildet, der beispielsweise mittels Flüssigphasenepitaxie- Wachstum eines YIG-Dünnfilms (YIG=Yttrium Iron Garnet = Yttriumeisengranat) auf einem nicht magnetischen GGG-Substrat (GGG=Gadolinium Gallium Garnet=Gadoliniumgallium­ granat) hergestellt wird, und durch selektives Ätzen des YIG-Dünnfilmes durch einen photolithographischen Prozeß in eine gewünschte Form gebracht wird, die beispielsweise eine Scheibenform oder eine rechteckige Form sein kann. Ein derartiges Mikrowellengerät hat dahin gehende Vorteile, daß es als MIC (microwave integrated circuit = integrierte Mikrowellenschaltung) mit Mikrostreifenleitungen als Über­ tragungsleitungen hergestellt werden kann, und daß das Mikrowellengerät in einfacher Weise mit anderen MICs (inte­ grierten Mikrowellenschaltungen) verbunden werden kann, um eine Hybridschaltung zu bilden. Die Verwendung eines Resonator­ elementes mit einem YIG-Dünnfilm hat Vorteile gegenüber einem Resonatorelement mit einer YIG-Kugel, weil ein YIG-Dünnfilm besser durch Massenproduktionsverfahren unter Verwendung lithographischer Techniken herstellbar ist.

Ein ferromagnetischer Resonator dieser Bauart unter Verwendung ferrimagnetischer Dünnfilme ist bereits aus den US-PS 45 47 754 und 46 36 756 bekannt. Anwendungsbeispiele derartiger ferromagnetischer Resonatoren für einen Tuner und einen Oszillator sind aus der US-PS 46 26 800 entnehmbar.

Jedoch treten bei der Verwendung von ferromagnetischen Resonatoren mit ferrimagnetischen Resonatorelementen mit einem YIG-Dünnfilm praktische Probleme dadurch auf, daß charakteristische Kennwerte in starkem Maße von der Temperatur abhängen.

Die Temperaturcharakteristika eines derartigen ferromagnetischen Resonators wird nachfolgend erläutert.

Die Resonanzfrequenz f eines ferrimagnetischen Resonator­ elementes mit beispielsweise einem YIG-Dünnfilm bei Anlegen eines Gleichmagnetfeldes in einer senkrechten Richtung zur Hauptfläche des YIG-Filmes wird durch folgende Kittelsche Gleichung widergegeben:

f = γ { Hg - (Nz - N _T ) · 4 π Ms(T) } (1)

Der obigen Gleichung liegt die Annahme zugrunde, daß der Einfluß des anisotropen Feldes vernachlässigbar klein ist, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis darstellt, das 2,8 MHz/Oe für einen YIG-Dünnfilm beträgt, wobei ferner Hg das an den YIG-Dünnfilm angelegte Gleichmagnetfeld bezeichnet, Nz und N _T die Entmagnetisierungsfaktoren bezüglich der Richtung des Gleichmagnetfeldes und einer senkrechten Richtung hierzu darstellen, wobei ferner (Nz-N _T ) auf der Basis einer magnetostatischen Modentheorie berechnet wird, und wobei 4π Ms die Sättigungsmagnetisierung des YIG-Dünnfilmes ist, die eine Funktion der Temperatur T darstellt. In einem zahlenmäßigen Beispiel beträgt Nz-N _T = 0.9774 für die senkrechte Resonanz eines YIG-Dünnfilmes mit einem Erscheinungsverhältnis (Dicke/Durchmesser) von 0,01. Wenn das Vormagnetfeld Hg konstant unabhängig von Temperatur­ änderungen ist, beträgt die Breite des Variationsbereiches der Resonanzfrequenz f 712 MHz in einem Temperaturbereich von 0°C bis 70°C, da die Sättigungsmagnetisierung 4 π Ms des YIG-Dünnfilmes 1844G (Gauß) bei 0°C und 158G bei +70°C beträgt.

Es wurde bereits vorgeschlagen, den Temperaturgang von YIG- Dünnfilm-Mikrowellengeräten durch Anlegen eines Vormagnetfeldes an das YIG-Dünnfilmresonatorelement mittels eines Permanentmagneten in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz des ferrimagnetischen Resonators zu kompensieren, oder durch Verwendung einer Vormagnetisierungs­ schaltung mit einem Permanentmagneten und einer weichmagnetischen Platte mit speziellem Temperatur­ koeffizienten.

Jedoch kann diese Art der Temperaturgangkompensation nur an YIG-Dünnfilm-Mikrowellengeräten mit festem Frequenzband oder einem begrenzt veränderlichen Frequenzband angewendet werden. Die Anwendung für YIG-Dünnfilm-Mikrowellengeräte mit weit veränderbarem Frequenzband ist nicht möglich.

Mit anderen Worten gingen die bisher vorgeschlagenen Kompensations­ verfahren von der Annahme aus, daß die Temperatur des YIG-Dünnfilmes und diejenige des Permanentmagneten oder der weichmagnetischen Platte des magnetischen Kreises im wesentlichen miteinander übereinstimmen.

Wenn allerdings ein Elektromagnet mit einer Spule zum Erregen des Magnetfeldes anstelle des Permanentmagneten verwendet wird, verursacht die durch die erregte Spule erzeugte Wärme eine relativ hohe Temperaturdifferenz zwischen dem YIG-Dünnfilm und dem magnetischen Kreis und ferner zwischen den Komponenten, wie beispielsweise zwischen dem Magneten und der weichmagnetischen Platte der magnetischen Schaltung, so daß die obengenannte Annahme nicht länger zutrifft.

Mit anderen Worten ist die vorgeschlagene Temperatur­ kompensationsmethode, die auf der Annahme beruht, daß die Temperatur des ferrimagnetischen Resonatorelementes und diejenige der magnetischen Schaltung in der gleichen Größen­ ordnung liegen, für solche ferromagnetische Resonatoren mit einem über einen weiten Bereich veränderlichen Frequenzband ungeeignet, bei denen die Größe des zum Elektro­ magnet zugeführten Stromes zum Anlegen des Gleichmagnet­ feldes zum ferrimagnetischen Resonatorelement über einen vergleichsweise großen Bereich verändert wird.

Ferner ist in einem engeren Sinn bzw. abhängig von den Umgebungsbedingungen die Temperatur des ferromagnetischen Resonatorelementes verschieden von derjenigen des Permanent­ magneten oder der magnetischen Schaltung sogar in dem Fall, daß der ferromagnetische Resonator einen Permanentmagneten zum Anlegen eines Gleichmagnetfeldes an das ferrimagnetische Resonatorelement verwendet. Daher ist das Kompensationsverfahren für Temperaturcharakteristika unter der Annahme, daß keine Temperaturdifferenz zwischen jenen Komponenten besteht, selbst dann nicht zufriedenstellend anwendbar, wenn der ferromagnetische Resonator einen Permanentmagneten verwendet.

Ein Temperaturkompensationsverfahren für einen Oszillator mit einem dielektrischen Resonator ist beispielsweise in der elektrotechnischen Fachveröffentlichung 1984 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Seiten 277-279 (nachfolgend "Druckschrift 1" genannt) offenbart. Die Erfindung basiert auf einem unterschiedlichen Gedanken verglichen mit demjenigen gemäß Druckschrift 1, was nachfolgend aus der Erläuterung der Erfindung deutlich werden soll.

Gegenüber dem obengenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen ferromagnetischen Resonator der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß dessen Temperaturkompensation verbessert wird.

Diese Aufgabe wird bei einem ferromagnetischen Resonator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß jetzt ferromagnetische Resonatoren unter Verwendung ferrimagnetischer Dünnfilme auch für vergleichsweise breite Frequenzbänder einsetzbar sind.

Ferner ist als Vorteil die besondere Frequenzstabilität eines erfindungsgemäßen ferromagnetischen Resonators gegenüber Temperaturschwankungen hervorzuheben.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen ferromagnetischen Resonators liegt in dessen stabilen Frequenzverhalten in einem weiten Frequenzbereich bei Temperatur­ schwankungen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein ferromagnetischer Resonator vorgesehen, der ein ferrimagnetisches Resonanzelement aus ferrimagnetischem Dünnfilm, eine Einrichtung zum Anlegen eines magnetischen Gleichfeldes senkrecht zur Hauptfläche des ferrimagnetischen Dünnfilmes, einen Temperaturdetektor zum Erfassen der Temperatur des ferrimagnetischen Resonanzelementes und eine Kompensationsschaltung aufweist, die vorkodierte Kompensationsdaten hat und ein Kompensationssignal in Reaktion auf die erfaßte Temperatur ableitet, sowie ferner eine Spule zum Erzeugen eines Kompensationsmagnetfeldes aufweist, das an das ferrimagnetische Resonanzelement angelegt wird, wobei diese Spule mit einem Kompensationsstrom in Reaktion auf das Kompensationssignal versorgt wird.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 und 2 Blockdiagramme ferromagnetischer Resonatoren gemäß der Erfindung;

Fig. 3 und 5 graphische Darstellungen von Meßergebnissen der Mittenfrequenzen bei Temperaturabweichungen;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Frequenzabweichung bei Änderung der Mittenfrequenz bei 0°, 30° und 60°C;

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines ferromagnetischen Resonators, bei dem die Temperaturkompensation gemäß der Erfindung eingesetzt wird; und

Fig. 8 eine graphische Darstellung eines Meßergebnisses der Mittenfrequenzabweichung bei Temperaturänderung ohne Temperaturkompensation.

Ein ferromagnetischer Resonator gemäß der Erfindung umfaßt beispielsweise, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, ein ferromagnetisches Resonatorelement 1, einen Elektro­ magnet 2, der ein Gleichmagnetfeld bzw. Vormagnetfeld an das ferrimagnetische Resonatorelement 1 anlegt, einen Temperaturdetektor 3, der die Temperatur des ferrimagnetischen Resonatorelementes 1 erfaßt, und eine Kompensationsstrom­ versorgungsschaltung 4, die einen Kompensationsstrom entsprechend der Temperatur des ferrimagnetischen Resonator­ elementes 1, die durch den Temperaturdetektor 3 gemessen wird, dem Elektromagneten 2 zuführt.

Der Temperaturdetektor 3 erzeugt ein Detektionsausgangssignal entsprechend der Temperatur des ferrimagnetischen Resonatorelementes 1, woraufhin die Kompensationsstromversorgungsschaltung 4 einen benötigten Strom entsprechend des Detektionsausgangssignales oder Erfassungsausgangssignales des Temperaturdetektors 3 zu dem Elektromagneten 2 zuführt, um den temperatur­ abhängigen Term der Gleichung (1) zu eliminieren, so daß eine temperaturabhängige Veränderung der Resonanzfrequenz f vermieden wird.

Ein ferromagnetischer Resonator gemäß der Erfindung wird in einer ersten Ausführungsform nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, in der das Bezugszeichen 20 einen ferromagnetischen Resonator mit einem ferrimagnetischen Resonatorelement 1 bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der ferromagnetische Resonator 20 eine magnetische Schaltung 5 mit einem Paar von glockenförmigen Magnetkernen 5 A ₁ und 5 A ₂, wie beispielsweise magnetische Ferritkerne, die jeweils äußere kreisförmige Wandabschnitte und mittige magnetische Pole 5 B ₁ und 5 B ₂ haben und einander gegenüber bezüglich der Achsen der zentralen oder mittigen Magnetpole 5 B ₁ und 5 B ₂ in Ausrichtung mit der Innenachse des ferromagnetischen Resonators 20 angeordnet sind.

Ein Elektromagnet 2 wird durch Befestigen einer Frequenz­ steuerspule 6 mit N ₁ Wicklungen und einer Temperaturkompensations­ spule 7 mit N ₂ Wicklungen auf den jeweiligen mittigen Magnetpolen 5 B ₁ und 5 B ₂ der Kerne 5 A ₁ und 5 A ₂ der Magnetschaltung 5 gebildet.

Das ferrimagnetische Resonatorelement 1 ist beispielsweise ein YIG-Dünnfilmelement und ist in einem magnetischen Spalt g mit der Länge l _g angeordnet, der zwischen den mittigen Magnetpolen 5 B ₁ und 5 B ₂ der magnetischen Schaltung 5 gebildet ist.

Ein Temperaturdetektor 3, der beispielsweise ein Thermistor sein kann, liegt nahe am ferrimagnetischen Resonatorelement 1.

Die Frequenzsteuerspule 6 des Elektromagneten 2 ist mit einer veränderlichen Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden. Der Strom I ₁, der zur Spule 6 zuzuführen ist, wird durch Veränderung des magnetischen Gleichfeldes bzw. des magnetischen Vorfeldes, das an das Resonatorelement 1 angelegt wird, gesteuert, um wahlweise die Resonanzfrequenz bzw. Betriebsfrequenz des Resonatorelementes 1 einzustellen.

Die Temperaturkompensationsspule 7 ist mit einer Kompensations­ stromversorgungsschaltung 4 verbunden.

In der Schaltung 4 empfängt ein Analog-Digital-Wandler 8 zum Umwandeln von Analogsignalen in entsprechende Digitalsignale ein Spannungssignal, das die Temperatur des ferri­ magnetischen Resonatorelementes 1 anzeigt, von dem Tempe­ raturdetektor 3 und legt daraufhin digitale Temperaturdaten, die dem Spannungssignal entsprechen, an einen Adreßbus eines ROM (Festwertspeicher) 9 an. Temperaturkom­ pensationsdaten sind vorab in dem ROM 9 gespeichert. Daraufhin wird eine Temperaturkompensationsdate für die Temperatur­ kompensation durch den Datenbus aus dem ROM 9 ausgelesen. Ein Digital-Analog-Wandler 10 wandelt die Temperatur­ kompensationsdaten in entsprechende Analogdaten um und führt die Analogdaten, wenn nötig, über einen Tiefpaßfilter 11 zum Unterdrücken der Abtastfrequenzkomponente zu einem Stromtreiber 12 zu. Daraufhin führt der Stromtreiber 12 einen Kompensationsstrom I ₂ zu der Temperaturkom­ pensationsspule 7 zu.

Bei einer derartigen Betriebsweise kann ein an das ferro­ magnetische Resonatorelement 1 anzulegendes Magnetfeld, nämlich das Spaltmagnetfeld Hg in dem Magnetspalt g durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Hg = H ₁ · I ₁/l _g + N ₂ · I ₂/l _g (2)

Die Größe des Kompensationsstromes I ₂, der durch die Kompensationsstromversorgungsschaltung 4 zu der Temperatur­ kompensationsspule 7 zuzuführen ist, um die Variation der Resonanzfrequenz des ferromagnetischen Resonatorelementes 1 und damit den temperaturabhängigen Term der Gleichung (1) zu kompensieren, wird folgendermaßen gewählt:

N ₂ · I ₂/l _g = (Nz - N _T ) · 4π Ms(T) (3)

Demzufolge kann die Resonanzfrequenz f des ferromagnetischen Resonatorelementes 1 aufgrund der Gleichung (1), (2) und (3) folgendermaßen ausgedrückt werden:

f = γ · N ₁ · I ₁/l _g (4)

Bei Elimination des temperaturabhängigen Termes der Gleichung kann die Resonanzfrequenz f derart bestimmt werden, daß sie einzig von dem Strom I ₁ abhängt, der zur Frequenz­ steuerspule 6 zugeführt wird.

Wie oben geschildert wurde, werden die Kompensationsdaten vorab in dem ROM 9 gespeichert, damit die Kompensations­ stromversorgungsschaltung 4 einen Strom I ₂ erzeugt, der die Gleichung (4) erfüllt. Die Kompensationsdaten werden beispielsweise derart gewählt, daß das ferrimagnetische Resonatorelement 1 bei einer festen Frequenz f _s von beispiels­ weise 1,8 GHz arbeitet. Die Betriebsfrequenz des ferromagnetischen Resonatorelementes wird durch einen Netzwerkanalysator erfaßt. In diesem Zustand wird eine vorbestimmte Temperatur erzeugt, um Digitaldaten für die Stromversorgung zu der Temperaturkompensationsspule 7 festzulegen, bei denen f ₀ = f _s = 1,8 GHz gilt. Daraufhin werden die Digitaldaten und die der erfaßten Temperatur entsprechenden Digitaldaten in einer eins-zu-eins Zuordnung in dem ROM gespeichert. Diese Betriebsweise wird für Temperaturen des Betriebstemperaturbereiches ausgeführt, wobei die auf diese Weise erhaltenen Daten in dem ROM eingeschrieben werden.

Somit kann der ferromagnetische Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung, der mit der Temperaturkompensationsspule 7 und der Kompensationsstromversorgungsschaltung 4 zum Erzeugen eines Kompensationsstromes I ₂ entsprechend der Temperaturveränderung des ferrimagnetischen Resonator­ elementes 1 ausgestattet ist, vollständig die temperatur­ abhängigen Faktoren beseitigen, die die Temperaturabhängigkeit der Veränderung der Resonanzfrequenz verursachen. Insbesondere dann, wenn die Daten in der Weise bestimmt werden, daß das ferrimagnetische Resonatorelement 1 bei einer festen Frequenz f _s unabhängig von der Temperatur­ variation betrieben wird, entsprechend der obigen Beschreibung in dem ROM abgespeichert werden, kann die temperatur­ abhängige Veränderung der Betriebsfrequenz unabhängig vom Pegel der Betriebsfrequenz unterdrückt werden, selbst wenn der ferromagnetische Resonator in einem sich über einen weiten Bereich ändernden Frequenzband betrieben wird. Die Unterdrückung der temperaturabhängigen Veränderung der Betriebsfrequenz des ferromagnetischen Resonator­ elementes ist möglich, wenn die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und dem Spaltmagnetfeld in Gleichung (1), also die Beziehung zwischen dem Vormagnetfeld und dem zur Spule zugeführten Strom, linear ist, was eines der Merkmale des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung ist.

Gemäß einem anderen Merkmal des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wird die Kompensation der temperaturabhängigen Variation der Resonanzfrequenz direkt zu dem Spaltmagnetfeld, das die Resonanzfrequenz steuert, und damit zu dem Vormagnetfeld, das an das ferrimagnetische Resonatorelement 1 angelegt wird, rückgeführt.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die Temperaturkompensation auf alle Faktoren bezogen, die in einer Beziehung zur Variation der Resonanzfrequenz stehen, und zwar einschließlich der Sättigungsmagnetisierung 4 π Ms des ferrimagnetischen Resonatorelementes 1, wie dies in Gleichung (1) enthalten ist. Der ferromagnetische Resonator kann derart aufgebaut sein, daß lediglich die temperaturabhängige Variation der Sättigungsmagnetisierung kompensiert wird. Da die Sättigungsmagnetisierung 4 π Ms(T) des ferro­ magnetischen Resonatorelementes in einen festen Anteil 4 π Ms⁰ sowie in einen temperaturabhängigen veränderlichen Anteil Δ 4 π Ms(T) aufgeteilt werden kann, kann die Gleichung (1) in folgenden Ausdruck umgeformt werden:

f = γ { Hg - (Nz - N _T ) · 4 π Ms⁰ - (Nz - N _T ) · Δ 4 π Ms (T) } (5)

Wenn der Kompensationsstrom I ₂ derart festgelegt wird, daß er folgende Gleichung erfüllt:

N ₂ · I ₂/l _g = (Nz-N _T ) · Δ 4 π Ms(T) (6)

anstelle der Gleichung (3), so folgt aus den Gleichungen (2), (5) und (6):

f = γ · N ₁ · I ₁/l _g - γ (Nz-N _T ) · 4 π Ms⁰ (7)

Wie in Gleichung (7) gezeigt ist, beinhaltet die Resonanz­ frequenz einen festen Term - (Nz-N _T ) · 4 π Ms⁰, ist die Resonanzfrequenz nicht einfach proportional zu dem Frequenz­ steuerstrom I ₁. Jedoch hängt die Resonanzfrequenz f allein vom Frequenzsteuerstrom I ₁ ab und ist unabhängig von der Temperatur.

Die Fig. 3, 4 und 5 sind graphische Darstellungen der gemessenen Variation der Mittenfrequenz bezüglich der Temperatur bei einem YIG-Bandpaßfilter mit veränderlicher Frequenz, der gemäß der vorliegenden Erfindung für ein Frequenzband von 0,8 bis 2,8 GHz ausgestaltet ist, wenn die Temperatur von 0°C auf 70°C angehoben wird und daraufhin wiederum auf 0°C abgesenkt wird, wobei die bei einer Frequenz von 1,8 GHz festgelegten Temperaturkompensationsdaten in dem ROM gespeichert sind und wobei die Temperatur­ kompensationsfunktion bei 1,8 GHz und 2,8 GHz ausgeführt wird.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der gemessenen Variation der Mittenfrequenz von 1,8 GHz bezüglich der Temperatur, wenn die Temperatur von 0°C auf 70°C angehoben und daraufhin auf 0°C abgesenkt wird und wenn keine Temperatur­ kompensation angewendet wird. Aus einer Vergleichs­ betrachtung der Fig. 3, 4, 5 und 8 ergibt sich offensichtlich daß die Frequenzvariation ± 369 MHz beträgt, wenn keine Temperaturkompensation angewendet wird (Fig. 8) und daß die Frequenzvariation wirksam durch die Temperatur­ kompensation auf ±6,7 MHz (Fig. 3), ±7,0 MHz (Fig. 4) und ±9,9 MHz (Fig. 5) unterdrückt wird.

Fig. 6 zeigt die Abweichung der Frequenz gegenüber der erwarteten Frequenz bei 0°C, 30°C und 60°C, gemessen durch eine experimentelle Frequenzverschiebung in einem Frequenzband von 0,8 GHz bis 2,8 GHz. In der Fig. 6 sind die einzelnen Meßpunkte durch leere Kreise, ausgefüllte Kreise und Dreiecke jeweils für die Temperaturen 0°C, 30°C und 60°C angegeben. Das Experiment zeigte, daß die temperatur­ abhängige Frequenzvariation auf einen Bereich von weniger als ±5 MHz unterdrückt wird, wenn der ferrimagnetische Resonator gemäß der Erfindung als ein über einen weiten Frequenzband veränderliches Frequenzerzeugungs­ gerät verwendet wird.

In Fig. 2 sind diejenigen Teile, die den Teilen gemäß Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß deren Beschreibung fortgelassen werden kann. Während der Elektromagnet des ersten Ausführungsbeispieles eine Frequenzsteuerspule 6 und eine Temperaturkompensations­ spule 7 beinhaltet, hat der Elektromagnet 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Spule 67, die sowohl die Spule 6 wie auch die Spule 7 ersetzt. In dem zweiten Ausführungs­ beispiel addiert eine Addierschaltung 13 eine Temperaturkompensationsspannung V₂, die durch einen Tiefpaßfilter 11 erzeugt wird, und eine Frequenzsteuer­ spannung V₁ und legt die Summenspannung V₁ + V₂ an einen Stromtreiber 12. Daraufhin erzeugt der Stromtreiber 12 eine Strom I ₁ + I ₂, der der Spannung V₁ + V₂ entspricht, und führt diesen den Spulen 67 zu. Das zweite Ausführungsbeispiel arbeitet nach den gleichen Prinzipien, die in den Gleichungen (2), (3) und (4) angegeben sind, wie das erste Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß die Gesamtzahl N der Wicklungen der Spule 67 die Größen N ₁ und N ₂ in den Gleichungen (2), (3) und (4) ersetzt. Ebenfalls wird in dem zweiten Ausführungsbeispiel die Resonanzfrequenz f nicht durch Temperaturvariationen beeinflußt und hängt lediglich von der Steuerspannung V₁ ab.

Bei dem ferromagnetischen Resonator 20 sowohl des ersten wie auch des zweiten Ausführungsbeispiels wird ein Magnetfeld zu dem ferromagnetischen Resonatorelement 1 lediglich durch den Elektromagneten 2 angelegt. Die Erfindung ist jedoch auch auf einen ferromagnetischen Resonator mit einer festen Frequenz anwendbar, bei dem ein festes magnetisches Feld an das ferrimagnetische Resonatorelement 1 mittels eines Permanentmagneten und ein Temperaturkompensations­ magnetfeld an das Resonatorelement 1 durch einen Elektromagneten angelegt wird. Fig. 7 zeigt die Struktur eines derartigen ferromagnetischen Resonators in einem dritten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.

In der Fig. 7 werden diejenigen Teile, die den Teilen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß deren Beschreibung fortgelassen werden kann. In dem dritten Ausführungsbeispiel enthält eine magnetische Schaltung 5 Magnetkerne 5 A ₁ und 5 A ₂ jeweils mit mittigen Magnetpolen 5 B ₁ und 5 B ₂ sowie jeweils an den Enden der mittigen Magnetpole 5 B ₁ und 5 B ₂ angebrachte Permanentmagnete 14. Ein ferrimagnetisches Resonatorelement 1 ist in einem Magnetspalt angeordnet, der zwischen den Permanentmagneten 14 gebildet wird.

Spulen 67 sind an den mittigen Magnetpolen 5 B ₁ und 5 B ₂ jeweils angebracht. Die Summe der Anzahl der Windungen oder Wicklungen der Spulen 67 beträgt N. In dem dritten Ausführungsbeispiel kann die Resonanzfrequenz f folgendermaßen ausgedrückt werden:

f = γ { Hg(T) - (Nz - N _T ) · 4 π Ms(T) } (8)

Das Spaltmagnetfeld Hg, das dem an das ferromagnetische Resonatorelement 1 angelegten Magnetfeld entspricht, kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Hg(T) = l _m Br(T)/µ _r l _g + N · I/l _g (9)

wobei l _m , Br und µ _r die Dicke, die Remanenz und die Permeabilität des Permanentmagneten 14 angeben. Wenn Br als fester Anteil Br₀ und als veränderlicher Teil Δ Br(T) ausgedrückt wird, und wenn dieser feste und dieser veränderliche Anteil in die Gleichung (9) eingesetzt werden, ergibt sich:

Hg(T) = l _m { Br⁰ + Δ Br(T) }/µ _r l _g + N · I/l _g (10)

Die Sättigungsmagnetisierung 4 π Ms(T) kann also in einen festen Anteil 4 π Ms⁰ und in einen veränderlichen Anteil Δ 4 π Ms(T) aufgeteilt werden. Daher gilt:

4 π Ms(T) = 4 π Ms⁰ + Δ 4 π Ms(T) (11)

durch Einsetzung der Gleichungen (10) und (11) in die Gleichung (8) erhält man:

f = γ { l _m Br⁰/µ _r l _g - (Nz-N _T ) · 4 f Ms⁰ + l _m Δ Br(T)/µ _r l _g + N · I/l _g - (Nz-N _T ) · Δ 4 π Ms(T) } (12)

Wenn demzufolge der Strom I folgendermaßen festgelegt wird:

N · I/l _g = (Nz-N _T ) · Δ 4 π Ms(T) -l _m Δ Br(T)/µ _r l _g (13)

und dieser Strom I zu den Spulen 67 durch die magnetische Schaltung 4 zugeführt wird, werden die dritten und vierten Terme der Gleichung (12) eliminiert. Daraus folgt:

f = γ { l _m Br⁰/µ _r l _g - (Nz-N _T ) · 4 π Ms⁰ } (14)

Daher wird die Resonanzfrequenz f an einen festen Pegel oder in einer festen Höhe unabhängig von der Temperatur gehalten.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, werden gemäß der Erfindung die Temperaturcharakteristika des ferromagnetischen Resonators für einen innerhalb eines breiten Frequenzbandes veränderlichen Frequenzbereich ebenso wie für einen ferromagnetischen Resonator mit fester Frequenz verbessert, in dem Frequenzvariationen aufgrund von Temperaturvariationen beseitigt werden.

Da weiterhin die temperaturabhängige Variation der Resonanz­ frequenz direkt zum Spaltmagnetfeld rückgeführt wird, in dem das ferrimagnetische Resonatorelement liegt, wird eine temperaturabhängige Variation der Resonanzfrequenz kompensiert. Damit weicht die Erfindung von ihrem Prinzip her von solchen Resonatoren, die ein zusätzliches Frequenzsteuerelement verwenden, wie beispielsweise eine Varactor-Diode, wobei die Rückkopplung der temperaturabhängigen Veränderung der Frequenz zu dem Frequenzsteuerelement wie in der Druckschrift 1 erfolgt. Daher wird der ferromagnetische Resonator nach der Erfindung in seinem Aufbau bezüglich des konventionellen ferromagnetischen Resonators erheblich einfacher. Wie oben angegeben wurde, wird die temperaturabhängige Variation der Frequenz unabhängig von der Betriebsfrequenz bei Verwenden eines ferromagnetischen Resonators als Frequenzerzeugungsgerät für ein breites Frequenzband durch Verwenden von Daten eliminiert, die derart vorbereitet sind, daß eine feste Betriebsfrequenz f _s erreicht wird, wobei diese Daten in dem ROM gespeichert sind. Diese Eliminierung der temperatur­ abhängigen Veränderung der Frequenz ist nur dann möglich, wenn die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und dem Spaltmagnetfeld gemäß Gleichung (1) und somit die Beziehung zwischen dem Vormagnetfeld und dem Spulenstrom linear ist, was auf einem für magnetische Resonatoren spezifischen Prinzip basiert. Demgemäß sind Geräte mit veränderlicher Frequenz, die eine Varactor-Diode verwenden, wie dies in Entgegenhaltung 1 beispielsweise offenbart ist, welche beispielsweise als VCO (spannungsgesteuerter Oszillator) arbeitet, in ihrer Beziehung nicht linear und somit abweichend vom beanspruchten Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung. Damit erweist sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung als eine einzigartige Erfindung auf der Grundlage eines für magnetische Resonatoren spezifischen Prinzipes.

Claims (7)

1. Ferromagnetischer Resonator mit einem ferrimagnetischen Resonanzelement, das aus einem ferrimagnetischen Dünnfilm gebildet ist, und mit einer Vormagnetfeldeinrichtung zum Anlegen eines Vormagnetfeldes senkrecht zu einer Hauptfläche des ferrimagnetischen Dünnfilmes,
gekennzeichnet durch
einen Temperaturdetektor (3) zum Erfassen der Temperatur des ferrimagnetischen Resonanzelementes (1),
eine Kompensationsschaltung (4) mit vor-kodierten Kompen­ sationsdaten, die ein Kompensationssignal in Reaktion auf die durch den Temperaturdetektor (3) erfaßte Temperatur erzeugt, und
eine Spuleneinrichtung (7; 67) zum Erzeugen eines Kompen­ sationsmagnetfeldes, das an das ferrimagnetische Resonanzelement (1) angelegt wird, mit einem Kompensations­ strom in Reaktion auf das Kompensationssignal.

2. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung (4) einen Digital-Wandler (8) zum Umwandeln des Temperatursignales in ein Digitalsignal, eine Speicherschaltung (9) mit vorkodierten Kompensationsdaten zum Erzeugen digitaler Kompensationsdaten in Reaktion auf das temperaturdarstellende Digitalsignal und eine Treiberschaltung (12) aufweist, die einen Kompensationsstrom (I ₂) in Reaktion auf die digitalen Kompensationsdaten erzeugt, und daß die Spule (7) mit dem Kompensationsstrom (I ₂) versorgt wird und das Kompensationsmagnetfeld senkrecht zu der Hauptfläche des ferrimagnetischen Dünnfilmresonanz­ elementes (1) erzeugt.

3. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ferrimagnetische Dünnfilm durch einen ferrimagnetischen YIG-Dünnfilm gebildet wird.

4. Ferromagnetischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetfeldeinrichtung durch einen Elektromagneten (2) mit einer Spule (6) und einem Stromtreiber (12) zum Erzeugen des Vormagnetfeldes gebildet ist.

5. Ferromagnetischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetfeldeinrichtung durch einen Permanentmagneten (14) gebildet wird.

6. Ferromagnetischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vor-kodierten Kompensationsdaten in der Weise erhalten werden, daß der ferromagnetische Resonator (20) mit einer festen vorbestimmten Frequenz unter verschiedenen Temperaturen betrieben wird und daß zusätzliche Ströme zum Aufrechterhalten der festen vorbestimmten Frequenz, die bei den jeweiligen Temperaturen benötigt werden, gemessen und in einem Speichergerät (9) abgespeichert werden.

7. Ferromagnetischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Paar von Magnetkernen (5 A ₁, 5 A ₂) jeweils mit einem mittigen magnetischen Pol (5 B ₁, 5 B ₂) und einem kreis­ förmigen Wandabschnitt, wobei sich die Magnetkerne (5 A ₁, 5 A ₂) zum Bilden eines Spaltes (g) zwischen den mittigen Magnetpolen (5 B ₁, 5 B ₂) einander gegenüberliegen, und wobei das ferrimagnetische Resonanzelement (1) in dem Spalt (g) angeordnet ist.