SE518711C2

SE518711C2 - Mikrovågscirkulator

Info

Publication number: SE518711C2
Application number: SE0100574A
Authority: SE
Inventors: Lennart Mattsson
Original assignee: Saab Ab
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2002-11-12
Also published as: WO2002067361A8; EP1368853A1; WO2002067361A1; SE0100574L; SE0100574D0

Abstract

An waveguide circulator including at least three waveguides and a centre section. The waveguides are cross-coupled in the centre section. In the centre section a ferrite element is arranged. The circulator has means for magnetising the element. One of the waveguides has at least one constriction element in its interior. The constriction element is arranged to reduce leakage signals arising from imperfections in the circulator.

Description

20 25 30 35 518 711 u o . ø u nu 2 För att förbättra prestandan hos cirkulatorer med avseende pà impedansmatchning, har olika matchnings- element gjorda av metall eller dielektriska material använts inom känd teknik. Dessa matchningselement gör tillverkningen av cirkulatorerna dyr och komplicerad, särskilt om en cirkulator kräver flera matchningselement. 20 25 30 35 518 711 u o. ø u nu 2 To improve the performance of circulators with respect to impedance matching, various matching elements made of metal or dielectric materials have been used in the prior art. These matching elements make the manufacture of the circulators expensive and complicated, especially if one circulator requires several matching elements.

Dessutom, pà grund av ofullkomligheter vid montering och toleranser hos innefattade komponenter, utnyttjar känd teknik trimning efter produktionen genom placering av ytterligare trimningselement i cirkulatorn. Detta gör naturligtvis tillverkningen av cirkulatorerna dyrare.In addition, due to imperfections in assembly and tolerances of included components, prior art utilizes post-production trimming by placing additional trimming elements in the circulator. This, of course, makes the manufacture of the circulators more expensive.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att mini- mera åtminstone en av ovannämnda nackdelar hos cirkula- torer enligt känd teknik, ett annat syfte är att till- handahàlla en cirkulator med förbättrad prestanda som också är billig att tillverka.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to minimize at least one of the above-mentioned disadvantages of prior art circulators, another object is to provide a circulator with improved performance which is also inexpensive to manufacture.

Dessa syften uppnås med en vàgledarcirkulator och ett förfarande för optimering av prestandan hos en vàgledarcirkulator med de ingresser och särdrag som definieras av de bifogade patentkraven.These objects are achieved with a waveguide circulator and a method for optimizing the performance of a waveguide circulator with the preambles and features defined by the appended claims.

Föreliggande uppfinning baseras på idén att genom att göra en vàgledare ansluten till mittensektionen trängre, kommer signalreflektioner att uppträda när denna vàgledare via mittensektionen mottager energi fràn en vàgledare som avger energi. Dessa signalreflektioner kommer destruktivt att interferera med läcksignaler som mottages av en annan vàgledare än den avsedda på grund av ofullkomligheter (vilka i sin tur beror pà tillverkningsfel och toleranser) hos cirkulatorn. Således kommer isolationen mellan den vàgledare via vilken energi leds från energikällan och denna en annan vàgledare, som inte är avsedd att vara en mottagande vàgledare, att avservärt förbättras.The present invention is based on the idea that by making a guide conductor connected to the center section narrower, signal reflections will occur when this guide conductor receives energy via the center section from a guide conductor which emits energy. These signal reflections will destructively interfere with leakage signals received by a guide other than the intended one due to imperfections (which in turn are due to manufacturing defects and tolerances) of the circulator. Thus, the isolation between the guide via which energy is conducted from the energy source and that of another guide, which is not intended to be a receiving guide, will be remarkably improved.

När t.ex. koppling görs, i motsols riktning, av en vàgledare till en sändare, en vàgledare till en gemensam 10 15 20 25 30 35 518 711 3 antenn och en vàgledare till en mottagare, och när magnetisering görs av cirkulatorn för att uppnà ett flöde av energi i motsols riktning i cirkulatorn, kommer säledes föreliggande uppfinning att tillhandahålla hög isolation mellan sändare och mottagare vid sändning av energi från sändaren via antennen. Den höga isolationen uppnås genom destruktiv interferens i den mottagar- associerade vàgledaren mellan reflekterade signaler och läcksignaler, vilka reflekterade signaler mottages från en antennassocierad vàgledare som gjorts trängre och läcksignalerna från den sändarassocierade vàgledaren.When e.g. coupling is made, in the counterclockwise direction, by a guide to a transmitter, a guide to a common antenna and a guide to a receiver, and when magnetization is done by the circulator to achieve a flow of energy in counterclockwise in the circulator, thus the present invention will provide high isolation between transmitter and receiver when transmitting energy from the transmitter via the antenna. The high isolation is achieved by destructive interference in the receiver-associated guide between reflected signals and leakage signals, which reflected signals are received from an antenna-associated guide made narrower and the leakage signals from the transmitter-associated guide.

Om det är önskvärt kan naturligtvis föreliggande uppfinning också användas pà sådant sätt att den mottagarassocierade vàgledaren görs trängre, varigenom isolationen mellan mottagare och sändare förbättras när mottagaren mottager energi via antennen.Of course, if desired, the present invention can also be used in such a way as to make the receiver-associated waveguide narrower, thereby improving the isolation between receiver and transmitter when the receiver receives energy via the antenna.

Allmänt tillhandahåller föreliggande uppfinning en cirkulator som förbättrar isolationen mellan en första och en andra port hos cirkulatorn när energi kopplas mellan den första porten och en tredje port. Simuleringar visar dessutom att cirkulatorn enligt föreliggande upp- finning uppnår detta för höga arbetsfrekvenser och över ett stort frekvensomràde.In general, the present invention provides a circulator that improves the insulation between a first and a second port of the circulator when energy is connected between the first port and a third port. Simulations also show that the circulator according to the present invention achieves this for high operating frequencies and over a large frequency range.

Genom att konstruera cirkulatorn så att denna innefattar ett begränsningselement i en av cirkulatorvàgledarna, reduceras läcksignaler pä grund av ofullkomligheter hos cirkulatorn, varigenom isolationen mellan de vàgledare där ingen överföring är önskvärd förbättras. Begränsningselmentet är enkelt att tillverka och kan vara av samma material som vàgledaren. Således kan elementet gjutas i vàgledaren. Alternativt är elementet och vàgledaren av olika material. I det senare fallet ansluts elementet till vàgledaren pà ett lämpligt sätt, t.e.x. genom lödning.By designing the circulator so that it comprises a limiting element in one of the circulator guides, leakage signals due to imperfections of the circulator are reduced, whereby the insulation between the guides where no transmission is desired is improved. The limiting element is easy to manufacture and can be of the same material as the guide. Thus, the element can be cast in the guide. Alternatively, the element and the guide are of different materials. In the latter case, the element is connected to the guide in a suitable manner, e.g. by soldering.

Enligt en aspekt på uppfinningen optimeras prestandan hos cirkulatorn genom att introducera ett begränsningselement med vissa dimensioner pà en viss 10 15 20 25 30 35 518 711 u ~ - . nu 4 plats. Detta är en ytterligare bidragande orsak till att cirkulatorn enligt föreliggande uppfinning inte kräver någon trimning efter produktion.According to one aspect of the invention, the performance of the circulator is optimized by introducing a limiting element with certain dimensions on a certain 518 711 u ~ -. now 4th place. This is a further contributing reason why the circulator of the present invention does not require any post-production trimming.

Vid konstruktion och tillverkning av cirkulatorn enligt föreliggande uppfinning, krävs således inga impedansmatchningselement eller trimningselement.Thus, in designing and manufacturing the circulator of the present invention, no impedance matching elements or trimming elements are required.

Istället placeras ett begränsningselement i en av våg- ledarna. Totalt sett gör detta att tillverkningen av cirkulatorn blir enklare och billigare.Instead, a limiting element is placed in one of the waveguides. Overall, this makes the manufacture of the circulator simpler and cheaper.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är ferrit- elementet förflyttat bort från mitten av mittensektionen i riktning mot begrånsningselementet. Simuleringar har överraskande visat att detta ytterligare förbättrar isoleringen mellan två givna vågledare. Alternativt, eller dessutom, medför även asymmetrisk formgivning av ferritelementet att isolationen mellan två givna vågledare förbättras. Med sådan optimering av cirkulatorn elimieras behovet av trimning efter produktion ytter- ligare.According to an embodiment of the invention, the ferrite element is moved away from the center of the center section in the direction of the boundary element. Simulations have surprisingly shown that this further improves the insulation between two given waveguides. Alternatively, or in addition, asymmetrical design of the ferrite element also means that the insulation between two given waveguides is improved. With such optimization of the circulator, the need for trimming after production is further eliminated.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer nu att beskrivas mer detaljerat med hänvisning till följande ritningar, i vilka: Fig. 1 visar en perspektivvy av en exemplifierande utföringsform av föreliggande uppfinning; och Fig. 2 visar en perspektivvy av utföringsformen i Fig. 1 med angivande av energiflödet; och Fig. 3 visar en graf över isolationen och över- föringen mellan olika vågledare i utföringsformen i Fig. 1.Brief Description of the Drawings The invention will now be described in more detail with reference to the following drawings, in which: Fig. 1 shows a perspective view of an exemplary embodiment of the present invention; and Fig. 2 shows a perspective view of the embodiment of Fig. 1 indicating the energy flow; and Fig. 3 shows a graph of the insulation and the transmission between different waveguides in the embodiment in Fig. 1.

Detaljerade beskrivning av en utföringsform av uppfinningen En vågledarcirkulator 1 i enlighet med en exempli- fierande utföringsform av uppfinningen visas i Fig. 1.Detailed Description of an Embodiment of the Invention A waveguide circulator 1 in accordance with an exemplary embodiment of the invention is shown in Fig. 1.

Den består av tre likvinkligt placerade vågledare 2, 3, 4 och en mittendel 5, i vilken ett ferritelement 6 är 10 15 20 25 30 35 518 711 - - - . Q ø n . n ; - n | . . n v - | Q oo 5 anordnat. En magnet är placerad på varje sida om nämnda element för magnetisering av ferriten. Dessa magneter visas inte i Fig. 1. Fackmannen inser att magnetiseringen kan utföras med en magnet. En omkastning av magnetfältet som appliceras på ferritelementet kommer att resultera i en omkastning av riktningen för cirkulationen.It consists of three equiangularly placed waveguides 2, 3, 4 and a middle part 5, in which a ferrite element 6 is 1018 20 25 30 35 518 711 - - -. Q ø n. n; - n | . . n v - | Q oo 5 arranged. A magnet is placed on each side of said element for magnetizing the ferrite. These magnets are not shown in Fig. 1. Those skilled in the art will appreciate that the magnetization can be performed with a magnet. A reversal of the magnetic field applied to the ferrite element will result in a reversal of the direction of circulation.

I en av vågledarna 3, är ett begränsningselement 7 anordnat. Elementet har en höjd H som utsträcker sig vinkelrätt från den inre väggen på vilken det är place- rat. Det har också en längd L som utsträcker sig i våg- ledarens 3 längsgående riktning. Elementet 7 har en bredd som utsträcker sig från en av de inre väggarna till den motstående inre väggen. Begränsningselementet 7 är dess- utom placerat på ett avstånd D från ferritelementet.In one of the waveguides 3, a limiting element 7 is arranged. The element has a height H which extends perpendicularly from the inner wall on which it is placed. It also has a length L which extends in the longitudinal direction of the waveguide 3. The element 7 has a width extending from one of the inner walls to the opposite inner wall. The limiting element 7 is also located at a distance D from the ferrite element.

Begränsningselementet är gjort av ett ledande material och är antingen gjutet i vågledaren eller monterat med hjälp av, t.ex., lödning.The limiting element is made of a conductive material and is either cast in the waveguide or mounted by means of, for example, soldering.

Ferritelementet 6 är något förflyttat bort från mitten av mittendelen 5 i riktning mot begränsnings- elementet 7 för att ytterligare förbättra isolationen mellan vågledarna 2 och 4. Fackmannen kan utan större svårigheter experimentera med symmetrin hos ferrit- elementet och komma till slutsatsen att ett asymmetriskt format ferritelement enbart, eller tillsammans med för- flyttningen, som tidigare nämnts, också förbättrar nämnda isolation.The ferrite element 6 is slightly moved away from the center of the middle part 5 towards the limiting element 7 to further improve the insulation between the waveguides 2 and 4. The person skilled in the art can without great difficulty experiment with the symmetry of the ferrite element and come to the conclusion that an asymmetrically shaped ferrite element alone, or together with the relocation, as previously mentioned, also improves the said insulation.

När cirkulation uppträder i motsols riktning kommer energi applicerad på vàgledare 2 att kopplas till våg- ledare 3 medan, idealt, vàgledare 4 är isolerad från vàgledare 2.When circulation occurs in the counterclockwise direction, energy applied to waveguide 2 will be connected to waveguide 3 while, ideally, waveguide 4 is isolated from waveguide 2.

En vanlig tillämpning för treportscirkulatorer är att låta en sändare vara ansluten till vàgledare 2, en antenn till vàgledare 3 och en mottagare till vàgledare 4. Energiflödet hos en sådan tillämpning, eller någon annan tillämpning som utnyttjar cirkulatorn enligt före- liggande uppfinning, visas med hänvisning till Fig. 2. 10 15 20 25 30 35 518 711 - Q v u oo 6 I Fig. 2 appliceras energi 8 på vàgledare 2 från en sändare (inte visad). Huvuddelen av energin 8 kommer att kopplas som energi 9 till en antenn (inte visad) via vàgledare 3, d.v.s. riktningen för cirkulationen är i detta fall motsols. Pà grund av ofullkomligheter hos cirkulatorn kommer en del 10 av sändarens energi 8 som matas till cirkulatorn att kopplas till en mottagare (inte visad) genom vàgledare 8. Denna del 10 av energin 8 benämns som läcksignal.A common application for three-port circulators is to allow a transmitter to be connected to a conductor 2, an antenna to a conductor 3 and a receiver to a conductor 4. The energy flow of such an application, or any other application utilizing the circulator according to the present invention, is shown by reference. to Fig. 2. 10 15 20 25 30 35 518 711 - Q vu oo 6 In Fig. 2, energy 8 is applied to waveguide 2 from a transmitter (not shown). The majority of the energy 8 will be connected as energy 9 to an antenna (not shown) via waveguide 3, i.e. the direction of circulation is in this case counterclockwise. Due to imperfections of the circulator, a part 10 of the transmitter's energy 8 supplied to the circulator will be connected to a receiver (not shown) by waveguide 8. This part 10 of the energy 8 is referred to as a leakage signal.

Genom optimering av begränsningselementet 7, med avseende pà dess dimensioner och dess avstånd till ferritelementet 6, är det möjligt att skapa en lämplig reflektionssignal 11, sàsom anges i Fig. 2. Reflektions- signalen 1l uppträder när en liten del av energin 9 som träder in i vàgledare 2 reflekteras mot begränsningsele- mentet 7. Huvuddelen av energin 9 kommer således att matas till antennen via vàgledare 3, medan en mindre del av energin 9, d.v.s. reflektionssignalen 11, kommer att ledas i riktning mot vàgledare 4. Energiförlusten pà grund av denna reflektion är obetydlig med hänsyn till den resulterande energi som kommer att sändas av anten- nen. Reflektionssignalen 11 kommer destruktivt att inter- ferera med läcksignalen 10. Eftersom begränsningselemen- tet 7 är optimerat pà sådant sätt att mängden energi i reflektionssignalen och i läcksignalen 11 är överens- stämmande, och dessutom i motfas, kommer de två signa- lerna 10 och 11 att släcka ut varandra, eller, förorsaka att läcksignalen 10 åtminstone reduceras med hjälp av destruktiv interferens med reflektionssignal 11.By optimizing the limiting element 7, with respect to its dimensions and its distance to the ferrite element 6, it is possible to create a suitable reflection signal 11, as indicated in Fig. 2. The reflection signal 11 occurs when a small part of the energy 9 entering in guide wire 2 is reflected towards the limiting element 7. The main part of the energy 9 will thus be supplied to the antenna via guide wire 3, while a smaller part of the energy 9, ie. the reflection signal 11, will be conducted in the direction of waveguide 4. The energy loss due to this reflection is insignificant with respect to the resulting energy that will be transmitted by the antenna. The reflection signal 11 will destructively interfere with the leakage signal 10. Since the limiting element 7 is optimized in such a way that the amount of energy in the reflection signal and in the leakage signal 11 is corresponding, and also in opposite phase, the two signals 10 and 11 will to extinguish each other, or, cause the leakage signal 10 to be at least reduced by means of destructive interference with reflection signal 11.

Dimensionerna och placeringen för begränsnings- elementet 7 förbereds i flera steg. Först dimensioneras mittendelen och dess ferritelement 6 för en viss arbets- mod och arbetsfrekvens hos cirkulatorn. Med utnyttjande av datorsimuleringar, d.v.s. fältsimulatorer eller EM-CAD (ElectroMagnetic Computer Aided Design) görs sedan juste- ringar och optimering av prestandan. 10 15 20 25 518 711 u | u a av 7 Företrädesvis moduleras begränsningselementet som en transmissionsledning inuti vågledaren, vilken trans- missionsledning har en viss längd, impedans och avstånd från ferritelementet 6. Åtminstone en, men företrädesvis alla, av dessa tre parametrar varieras med hjälp av en kretssimulator till dess att läcksignalen 10 har släckts ut eller reducerats så mycket som möjligt. Detta kommer att resultera i en viss uppsättning parametrar för trans- missionsledningen. Baserat på denna uppsättning av para- metrar görs ett preliminärt estimat för längden L, höjden H och placeringen D för begränsningselementet 7 inom våg- ledaren. Med hjälp av en fältsimulator korrigeras formen för begränsningselementet så att reflektionen från begränsningselementet motsvarar reflektionen från trans- missionsledningen.The dimensions and location of the limiting element 7 are prepared in several steps. First, the middle part and its ferrite element 6 are dimensioned for a certain operating mode and operating frequency of the circulator. Using computer simulations, i.e. field simulators or EM-CAD (ElectroMagnetic Computer Aided Design) are then made adjustments and optimization of performance. 10 15 20 25 518 711 u | Preferably, the limiting element is modulated as a transmission line inside the waveguide, which transmission line has a certain length, impedance and distance from the ferrite element 6. At least one, but preferably all, of these three parameters are varied by means of a circuit simulator until the leakage signal 10 has been extinguished or reduced as much as possible. This will result in a certain set of parameters for the transmission line. Based on this set of parameters, a preliminary estimate is made for the length L, the height H and the location D of the limiting element 7 within the waveguide. With the aid of a field simulator, the shape of the limiting element is corrected so that the reflection from the limiting element corresponds to the reflection from the transmission line.

Svepfrekvenssvaret för utföringsformen i Fig. 1 och 2 visas i Fig. 3. Isolationen mäts mellan vågledarna 2 och 4. Fig. 2 visar också överföring mellan vågledare 2 och 3 såväl som reflektionen 11 resulterande från begränsningselementet 7. Det ses att isolationen är 20 dB över ett frekvensomràde på 74,8 till 80,5 GHz. Således erhålls en kommersiellt acceptabel isolering mellan våg- ledarna 2 och 4 vid en hög arbetsfrekvens och inom ett brett frekvensband. Värdena för arbetsfrekvensen och frekvensbandet utgör båda avsevärda förbättringar vid jämförelse med cirkulatorer enligt känd teknik.The sweep frequency response for the embodiment in Figs. 1 and 2 is shown in Fig. 3. The insulation is measured between the waveguides 2 and 4. Fig. 2 also shows the transmission between waveguides 2 and 3 as well as the reflection 11 resulting from the limiting element 7. It is seen that the insulation is 20 dB over a frequency range of 74.8 to 80.5 GHz. Thus, a commercially acceptable insulation between the waveguides 2 and 4 is obtained at a high operating frequency and within a wide frequency band. The values for the operating frequency and the frequency band both constitute significant improvements when compared with circulators according to the prior art.

Claims

10 15 20 25 30 35 8 PATENT REQUIREMENTS

Guide guide circulator comprising at least three guide guides, a middle part in which the guide guides are cross-connected, a ferrite element arranged in said middle part and means for magnetizing said ferrite element, characterized in that one of the guide guides has at least one limiting element in its interior, which limiting element at least substantially extending between two opposite inner walls of the guide, and which limiting element is arranged to reduce leakage signals which arise due to imperfections of the circulator.

The guide conductor circulator according to claim 1, wherein said limiting element is located on a first inner wall of the guide, said limiting element having a height extending perpendicular to the first inner wall, a length extending in the longitudinal direction of the guide, and a width extending perpendicular to the longitudinal direction of the guidewire and at least substantially from a second inner wall to a third inner wall, both second and inner walls being adjacent to the first inner wall.

Guide guide circulator according to claim 1 or 2, wherein the ferrite element is moved from the center of the middle part towards the limiting element.

A guide conductor circulator according to any one of claims 1 to 3, wherein the ferrite element is asymmetrically shaped.

A method for optimizing the performance of a waveguide circulator, which circulator comprises at least three waveguides, a central part in which the waveguides are cross-connected, a ferrite element arranged in said central part and means for magnetizing said ferrite element. , characterized in that the method comprises the steps of: inserting a limiting element into the interior of one of said guides, which limiting element has certain dimensions and a certain location, which dimensions comprise a width which at least substantially extends between two opposing members. inner walls of the guide; and determining said dimensions and said location based on a reduction measure achieved with respect to a leakage signal within the circulator.

The method of claim 5, wherein said step of inserting said restraining member comprises placing the restraining member on a first inner wall of the waveguide, said dimensions comprising a height extending perpendicular to the first inner wall, a length extending in the longitudinal direction of the waveguide, and a width extending perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide and at least substantially from a second inner wall to a third inner wall, both second and third inner walls being adjacent to the first inner wall .

A method according to claim 5 or 6, wherein said determining step comprises: modeling the limiting element as a transmission line, which transmission line has three parameters in the form of a length, an impedance and a distance to the ferrite element; varying at least one of the transmission line parameters until the leakage signal within the circulator is reduced; and determining said dimensions and said location of said limiting element based on the result of said varying steps. nunnan 10 518 711 10

A method according to any one of claims 5 to 7, wherein said method comprises moving said ferrite element away from the center of the center section towards the boundary element, the location of the ferrite element being determined by varying the distance between the ferrite element and said location of said boundary element until its said leakage signal is further reduced.

A method according to any one of claims 5 to 8, wherein said method comprises the step of inserting an asymmetrically shaped ferrite element, whereby leakage signal is further reduced.