技术领域
[0001] 本
发明涉及用于交流
电流信号的回转器。
背景技术
[0002] 回转器是电气二端口器件，在该二端口器件的情况下输出端处的
电压与输入端处的电流成比例，其中当输入端和输出端被交换时电压的符号改变。如果电流是交流电流，则该电流因此根据所述电流在回转器的哪个端口处被提供要么被转换成同相交流电压要么被转换成反相交流电压。作为除了
电阻、电容、电感和理想
变压器之外的第五线性元件，该回转器是必需的，以便实现仅允许交流电压在一个方向上通过的二端口器件（隔离器）或者允许一个端口处的交流电压仅通过至在固定旋转方向上下一端口的三或多端口器件（循环器）。
[0003] 为了使输入电流到
输出电压的转换取决于通过回转器的电流方向，在
微波范围中使用在外部
磁场的影响下
铁氧体中的法拉第旋转（Faraday-Rotation）。为此必需的是，通过输入电流产生的
电磁波在铁氧体中传播。该铁氧体因此必须具有
波长的数量级的尺寸并且因此对于射频或音频范围中的
频率来说变得不切实际地大。该铁氧体在微波范围之下的频率时也不再有效地工作。此外，每个回转器通过其物理尺寸被规定到或多或少狭窄的频带上。
[0004] 替代地，回转器也可以被实现为由晶体管和反馈
运算放大器构成的有源
电路。但是这种电路需要
能量供应并且既产生噪声又产生热量。
[0005] 从US
专利文献2,649,574中已知用于更低频率的无源回转器，在该回转器的情况下铁氧体中的法拉第旋转通过平面霍尔效应来代替。电流到霍尔效应材料中的耦合输入以及对霍尔电压的分接通过高的
接触电阻被不利地阻碍，这损害回转器的效率。
发明内容
[0006] 任务以及解决方案
[0007] 因此本发明的任务是提供以下回转器，所述回转器在1-100MHz数量级的低频率的情况下比根据迄今的
现有技术的回转器更有效地工作。
[0008] 该任务根据本发明通过一种回转器来解决。另外的有利构型从以下描述中得出。
[0009] 本发明的主题
[0010] 在本发明的范围中开发了用于交流电流信号的回转器。该回转器包括霍尔效应材料、用于将交流电流（I1；I4）耦合输入到霍尔效应材料中的装置、用于利用与霍尔效应材料的平面或表面垂直的磁场来渗透霍尔效应材料的装置以及用于将通过电流I1与由I1产生的
电场垂直地在霍尔效应材料中生成的电流（I3；I2）转换成输出电压（U4；U1）的装置。
[0011] 如果交流电流I1被施加在回转器的第一端口处并且通过霍尔效应材料来驱动，则承载该电流的
电子通过磁场与电流方向垂直地偏转。总电流由此获得分量I3，所述分量与由I1产生的电场垂直。该总电流可以被转换成输出电压U4。该输出电压U4可以例如在霍尔效应材料处作为霍尔电压与电流I1的方向垂直地被分接。如果在回转器的第二端口处施加交流电流I4，则在相同的磁场方向的情况下基于右手定则由偏转引起的电流分量I2的方向改变。与此相应地，输出电压U1的符号反转。
[0012] 根据本发明，针对电流（I1；I4）到霍尔效应材料中的耦合输入和/或针对霍尔效应材料中的电流（I3；I2）到输出电压（U4；U1）的转换，在至少一个由正常导电或半导电材料构成的导体环和至少一个由霍尔效应材料构成的导体环之间设置有变压器。
[0013] 已认识到，通过取消将霍尔效应材料无效率地电耦合到金属或半导电的导体上，在将输入电流（I1；I4）转换成输出电压（U4；U1）时出现的耗散损耗被最小化。在10mK数量级的低
温度的情况下量子信息处理的实验是敏感的，使得所述实验利用隔离器与测量电子设备分离，以便实验的测量信号尽可能不受干扰地到达测量电子设备，但是该测量电子设备不将噪声散射回该实验中。为此只能考虑基于无源回转器的隔离器，因为有源回转器不仅产生热量而且产生噪声。根据迄今的现有技术的基于霍尔效应的回转器对于该使用目的来说同样不能使用，因为耗散损耗使测量信号衰减，产生不期望的热量以及如每个欧姆电阻那样产生噪声。根据本发明的回转器不具有这些缺点并且对于所描述的实验来说是能够使用的。由于缺乏其它可用的回转器以及因此隔离器，所述回转器使得这些实验中的若干首次可实行。
[0014] 在此，输入电流（I1；I4）到输出电压（U4；U1）的放大系数的倒数（Durchgriff）取决于霍尔效应材料中的霍尔效应的强度。该强度通过霍尔
角度θH来描述，通过霍尔效应材料的总电流从通过I1产生的电场偏转了所述霍尔角度。该霍尔效应材料因此有利地是以下材料，该材料在1T的磁场强度的情况下具有至少80度的霍尔角度θH。为此，该霍尔效应材料有利地包括半金属、尤其是来自组砷、α
锡（灰锡）、锑、铋或
石墨的半金属、和/或掺杂的
半导体。霍尔效应的强度基本上是固有材料特性（主要是载流子
密度）和磁场强度的乘积。霍尔角度越强地偏离90度，输入电流（I1；I4）就越强地被回转器反射。
[0015] 根据本发明设置的变压器将回转器的应用领域限制于交流电流信号。但是利用向下直至大约50Hz的频率的运行是可能的。
[0016] 如果既针对耦合输入又针对转换来设置变压器，则两个变压器的由正常导电或半导电的材料构成的导体环相互感应去耦。输入电流I1于是仅通过霍尔效应材料的霍尔效应引起输出电压U4并且相反地输入电流I4也仅通过该霍尔效应引起输出电压U1。在绕开霍尔效应材料的情况下直接感生的输出电压将不利地在输入端和输出端被交换时不改变符号。
[0017] 在本发明的一种特别有利的构型中，霍尔效应材料是
量子霍尔效应材料。在这种材料中θH仅偏离90度不可测量的小的量值。输入电流I1于是实际上在霍尔效应材料之内被完全转
化成垂直的电流I3，该电流被转换成输出电压U4。量子霍尔效应在许多非常薄的材料和结构中出现。所述量子霍尔效应材料有利地包括
石墨烯（Graphen）和/或形成二维电子气的半导体
异质结构。
[0018] 在本发明的一种特别有利的构型中，霍尔效应材料布置在至少两个区段中，使得在施加的磁场中一个区段中的电动势主要在另一区段中引起电流。输入电流（I1；I4）于是在所述一个区段中引起电动势，所述电动势通过霍尔效应被转换成通过所述另一区段的电流。该电流又以感应方式被转换成输出电压（U4；U1）。
[0019] 这例如在本发明的一种特别有利的构型中实现。在该构型中霍尔效应材料形成至少两个导体环1和2，所述导体环在一个点处相互电连接并且在至少一个另外的点处在没有电连接的情况下交叉。所述交叉例如可以通过一个导体环上方或下方横越另一导体环来实现，其中所述一个导体环通过缝隙和/或通过绝缘材料与所述另一导体环分离。但是所述一个导体环也可以横穿所述另一导体环并且在此通过缝隙和/或通过绝缘材料与所述另一导体环分离。所述导体环不规定为圆形，而是可以采用任何形状。
[0020] 霍尔效应材料例如可以以螺旋线的形式来实现，所述螺旋线的末端在共同的交叉点中被引向线
匝之一或者与该交叉点电接触。
[0021] 在本发明的一种特别有利的构型中，所述一个导体环（1；2）是用于输入电流（I1；I4）的耦合输入的变压器的次级绕组和/或第二导体环（2；1）是用于将霍尔效应材料中的电流（I3；I2）转换成输出电压（U4；U1）的变压器的初级绕组。所述两个导体环于是分别履行双重功能：一方面所述导体环将霍尔效应材料中的总电流的感兴趣的分量（I3；I2）分离到所述导体环之一中。另一方面，所述导体环分别形成用于耦合输入或转换的变压器的一半，使得为此节省附加的部件。
[0022] 在本发明的一种特别有利的构型中，霍尔效应材料占据三维面，所述三维面能够通过二维面在空间中在封闭路线上的移动来表示。该面例如可以是圆环（Torus）。圆环通过将圆作为二维面沿着更大的圆在三维空间中移动来形成。
[0023] 霍尔效应材料尤其可以作为层布置在绝缘的衬底上，和/或所述三维面可以形成由霍尔效应材料构成的空心体。两者都具有以下效果：仅存在沿着三维面的电流路径并且不存在通过实心的霍尔效应材料的寄生电流路径。该霍尔效应材料可以在绝缘的衬底上生长或利用涂层技术被施加到该衬底上。
[0024] 三维面自动地包含导体环1和2，所述导体环在一个点处相互电连接并且在至少一个另外的点处在没有电连接的情况下交叉。第一导体环1是霍尔效应材料中沿着封闭路线或与该路线平行的路径。第二导体环2是霍尔效应材料中在封闭路线的一个点处沿着二维面的周长的路径。该导体环理想地与第一导体环垂直。两个导体环1和2如上所述的那样起作用。
[0025] 三维面上的布置具有以下优点：可以实现特别好地将输入电流（I1；I4）以感应方式耦合输入到所述一个导体环（1；2）中以及特别好地将霍尔效应材料中的电流（I3；I2）以感应方式转换成输出电压（U4；U1）。所述回转器由此总体上变得更有效。
[0026] 有利地，霍尔效应材料中沿着封闭路线或与该路线平行的路径因此是用于输入电流（I1；I4）的耦合输入的变压器的次级绕组或者用于将霍尔效应材料中的电流（I3；I2）转换成输出电压（U4；U1）的变压器的初级绕组。变压器的另一绕组于是例如可以是线圈，所述线圈沿着封闭路线或与该路线平行地来缠绕。
[0027] 替代地或与此组合地，霍尔效应材料中在封闭路线的一个点处沿着二维面的周长的路径有利地是用于输入电流（I1；I4）的耦合输入的变压器的次级绕组或者用于将霍尔效应材料中的电流（I3；I2）转换成输出电压（U4；U1）的变压器的初级绕组。变压器的另一绕组于是例如可以是线圈，所述线圈沿着二维面的周长来缠绕。
[0028] 以所描述的方式在三维面上布置的回转器利用空间上均匀的磁场不再够用。代替于此，应当分别局部地确保：磁场与三维面垂直。该面的部分（在该部分上可以实现这一点）越大，该回转器就越有效地工作。因此，霍尔效应材料有利地具有用于实施穿过三维面的
磁力线的至少一个开口。替代地或者也与此组合地，有利地有设置用于利用磁场渗透霍尔效应材料的
磁性多极装置。
[0029] 有利地，设置有用于在三维面上的至少一个地点处产生局部辅助电场的装置。通过场效应于是可以精细调节局部电子密度以及因此霍尔效应。因此可以纠正磁场的局部的、与三维面垂直的分量的可能的不均匀性。为了精细调节磁场本身，可以在三维面上、在由该面包围的主体中或在该主体的周围环境中布置磁力可穿透的材料。
附图说明
[0030] 随后根据图来阐述本发明的主题，而不由此限制本发明的主题。
[0031] 图1示出了具有两个由霍尔效应材料构成的导体环的根据本发明的回转器的
实施例。
[0032] 图2示出了在具有沿着圆环表面的两个电流路径的圆环表面（a）上具有霍尔效应材料的根据本发明的回转器的实施例。
[0033] 图3示出了用于实现沿着圆环表面的均匀垂直场的磁性多极装置。
具体实施方式
[0034] 图1以示意图示出根据本发明的回转器的一个实施例。霍尔效应材料分段成导体环1和2。出于清楚性的原因未绘入的磁场在空间中是均匀的并且与绘图平面垂直。线圈1a和2a分别围绕导体环1和2来缠绕。通过线圈1a耦合输入的输入电流I1在导体环1中引起电动势E1。霍尔效应通过导体环2将该电动势转换成电流I3。该电流在线圈2a中感生输出电压U4。如果相反线圈2a由输入电流I4流过，则该输入电流在导体环2中引起电动势E2。基于右手定则，霍尔效应在相同的磁场方向的情况下通过导体环1将该电动势E2转换成相对于所述输入电流
相移180°的电流I2。该电流在线圈1a中感生相对于输入电流I4同样相移180°的输出电压U1。
[0035] 图2示出根据本发明的回转器的另一实施例。所述霍尔效应材料在此布置在圆环的表面上（图2a）。
覆盖该表面的线网仅用于针对眼睛阐明三维结构；由霍尔效应材料构成的层在浅灰色区域中是连续的。所述层仅通过以黑色绘入的区域3被中断，在所述区域3中不能发生电流导电。这些区域3一方面用于使多极磁场能够穿过圆环表面，以便在所述表面上尽可能到处存在着与该表面垂直的磁场。另一方面，所述区域用于形成所限定的区域，在所述区域中电流I3可以沿着圆的周长流动，通过所述电流沿着更大的圆的移动形成了圆环。在与此垂直的方向上电流I2可以与更大的圆平行地流动。
[0036] 图2b示出用于在图2a中绘入的针对I2的电流路径与外部世界的感应耦合的线圈1a。如果输入电流I1耦合输入到线圈中，则沿着针对I2的电流路径产生电场E1，该电场通过霍尔效应被转换为在与此垂直的方向上的电流I3。如果相反沿着针对电流I3的路径存在着电动势，则霍尔效应引起电流I2，该电流在线圈中感生输出电压U1。对于回转器的最优效果来说，线圈的空间外形应当尽可能地接近电流I2的空间分布。此外，有利地在圆环的下侧上同类的第二线圈与在图2b中示出的线圈
串联。该线圈相对于霍尔效应材料是电绝缘的。
[0037] 图2c示出用于在图2a中绘入的针对I3的电流路径与外部世界的感应耦合的线圈2a。沿着限定所述圆环的两个圆中较大的圆的不同
块串联。如果电流I3基于输入电流I1流过线圈1a，则该电流I3通过线圈2a被转换成输出电压U4。如果相反线圈2a被施加输入电流I4，则沿着针对电流I3的路径产生电动势E3，该电动势通过霍尔效应被转换为电流I2并且在线圈1a中感生输出电压U1。线圈2a既相对于线圈1a是电绝缘的又相对于霍尔效应材料是电绝缘的。在线圈1a和2a之间也不存在直接的感应耦合。对于回转器的最优效果来说，线圈的空间外形应当尽可能地接近电流I3的空间分布。线圈2a可以完全或部分地遮盖以黑色绘入的区域3，在所述区域中电流导电是不可能的。
[0038] 两个线圈1a和2a可以分别位于圆环表面的内侧上或外侧上。线圈1a位于线圈2a之上或者相反也是无关紧要的。
[0039] 图3以圆环的赤道平面中的剖视图示出磁性多极装置，该磁性多极装置在圆环的表面上产生均匀垂直磁场。从磁性北极出发的场力线穿过在其中霍尔效应材料被中断的区域3进入到圆环中并且垂直地穿过用霍尔效应材料占据的区域又从圆环中朝着磁性南极的方向离开。在圆环的外表面处、例如在绘图平面之上或之下有利地设置有另外的磁体，以便在那里提供另外的磁性南极，使得在那里另外的场力线垂直地从表面离开。
