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Hohlraumresonator
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hohlraumresonator.
Bei der Verwendung von Hohlraumresonatoren ist oft eine hohe Kreisgüte zweckmässig. Es ist bekannt, dass durch Vergrösserung der Ausmasse eine höhere Kreisgüte ermöglicht wird, da die Kreisgüte dem Quotienten aus Volumen und Oberfläche annähernd proportional ist. Bei der Vergrösserung wächst das Volumen in grösserem Masse als die Oberfläche, so dass dabei die Kreisgüte wächst. Die Vergrösserung der Ausmasse bedingt jedoch auch ein Herabsinken der niedrigsten Eigenfrequenz oder Grundeigenfrequenz für eine jede der möglichen Schwingungsarten. Da oft die Frequenz, bei welcher der Resonator wirksam sein muss und/oder die Schwingungsart nicht beliebig gewählt werden können, ist man gezungen, den vergrösserten Hohlraumresonator bei einer höheren als der niedrigsten Eigenfrequenz bei einer bestimmten Schwingungsart zu verwenden.
Dies ist bei vielen Schaltungen ein Nachteil, da die vorhandenen, die verwendete Eigenfrequenz unterschreitenden Eigenfrequenzen störend wirken. Es kann z. B. bei Generatorschaltungen ein Selbstschwingen mit diesen niedrigeren, unerwünschten Frequenzen im allgemeinen sogar leichter eintreten, als mit den erwünschten, höheren Frequenzen. Bei Schaltungen, bei denen Impulse verwendet werden, werden von den Impulsen die niedrigeren, unerwünschten Frequenzen leicht angeregt.
Die Erfindung schafft Mittel, diese Nachteile zu beheben oder doch zu verringern.
Erfindungsgemäss wird ein Hohlraumresonator vorgeschlagen, der aus einer nahezu geschlossenen, leitenden Wand besteht und sich durch solche
Formgebung auszeichnet, dass der Hohlraum als aus kongruenten Elementen von endlichen Ab- messungen und einfachster geometrischer Gestalt derart aufgebaut angenommen werden kann, dass bei jeder nicht in der Ebene der leitenden Wand liegenden, gemeinsamen Kante die Grenzflächen durch diese Kante paarweise ineinander übergehen und die kongruenten Elemente paarweise eine ganze Seitenfläche gemeinsam haben, wobei ein jedes diesel Raumelemente dem Innenraum eines elementaren Hohlraumresonators kongruent ist, dessen niedrigste Eigenfrequenz gleich der erregten Frequenz des zuerst genannten Hohlraumresonators bei der gleichen Schwingungsart ist.
Die Wahl dieser Elemente ist dabei so getroffen, dass sie die grösstmöglichen Raumelemente sind, aus denen der Hohlraumresonator zusammengesetzt gedacht werden kann. Die Erregung des gesamten Hohlraumresonators erfolgt so, dass ein jedes der kongruenten Elemente auf die gleiche Weise an der Schwingung beteiligt ist, wie dies bei dem elementaren Hohlraumresonator der Fall wäre, so dass alle Grenzflächen dieser Teile Knotenflächen sind.
Wie weiter unten näher erläutert, wird auf diese Weise das Auftreten einer oder mehrerer die erwünschte Frequenz unterschreitender Eigenfrequenzen weitgehend unterdrückt oder es treten sogar überhaupt keine Eigenfrequenzen niedriger als die erwünschte Frequenz mehr auf.
Bei einer Ausführung, bei welcher der Hohlraumresonator eine prismatische Gestalt aufweist und derart erregt wird, dass die elektrischen Grössen nicht von der Koordinate längs der Höhe des Prismas abhängig sind, ist vorzugsweise gemäss der Erfindung in wenigstens einer der zu den aufrechten Kanten des Prismas parallelen Knotenebenen ein dünner, gerader Leiter parallel zu den Kanten vorgesehen, der die untere und die obere Fläche leitend verbindet.
Soll ein Hohlraumresonator gemäss der Erfindung entworfen werden, so kann diesem Zwecke das nachfolgende Verfahren dienen. Die er- wünschte Frequenz und Schwingungsart werden festgelegt. Letzteres erfolgt durch Wahl aus den verschiedenen bestehenden Möglichkeiten, wie z. B. die Schwingungsart, bei der die elektrischen
Grössen von drei zu einander senkrecht gemessenen
Koordinaten abhängig sind, oder eine Schwin- gungsart, bei der die elektrischen Grössen von nur zweien aus drei zu einander senkrecht ge- messenen Koordinaten abhängig sind. Darauf wird ein Hohlraumresonator von einfacher, nach- stehend als Grundform bezeichneter Gestalt ent- worfen, u. zw. mit solchen Abmessungen, dass seine niedrigste Eigenfiequenz für die betrachtete
Schwingungsart gleich der erwünschten Frequenz ist.
Unter Grundform sollen hier vor allem
Prismen, deren Grundfläche ein Dreieck, ein
Parallelogramm oder ein regelmässiges Sechseck
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ist. dreiseitige Pyramiden und Parallelepipeda verstanden werden. Ein erfindungsgemässer Hohlraumresonator mit höherer Kreisgüte bei gleicher Frequenz und Schwingungsart kann. nun entworfen werden, indem eine dieser Grundformen als "imaginärer Baustein" verwendet wird. Die leitende Wand des auf diese weiter unten noch zu erläuternde Weise entstandenen Hohlraumresonators muss den von den Elementen gebildeten Hohlraum nahezu ganz umschliessen. Beim Aufbau müssen jedoch nachfolgende Punkte berücksichtigt werden. Zwei benachbarte Elemente müssen stets eine ganze Seitenwand gemeinsam haben.
Bei jeder nicht in der leitenden Wand liegenden, gemeinsamen Kante müssen die Grenzflächen der Elemente durch diese Kante paarweise ineinander übergehen. Schliesslich muss die Stapelung der Elemente derart durchgeführt werden, dass der gebildete Körper nicht durch Stapelung grösserer, selbst aus Elementen von der gewählten Grundform zusammengesetzter Elemente hergestellt werden könnte. Diese Bedingung kann meist in einfacher Weise wie folgt erfüllt werden : Aus den Elementen wird ein weitgehendst regelmässiger oder symmetrischer Körper hergestellt und diese Regelmässigkeit wird nun dadurch gestört, dass an einer oder an mehreren Stellen ein Baustein oder mehrere solche entfernt oder zugesetzt werden.
Wird z. B. als Element eine regelmässige dreiseitige Pyramide verwendet, deren Seitenflächen rechtwinkelig-gleichschenkelige Dreiecke sind, so kann aus ihnen z. B. ein Oktaeder aufgebaut werden. Dieses könnte jedoch auch aus Elementen, welche die doppelte bzw. vierfache Grösse haben und aus je zwei bzw. vier Elementen der gewählten Grundform bestehen, zusammengesetzt sein. Das regelmässige Oktaeder ist daher für den Entwurf eines erfindungsgemässen Resonators nicht geeignet. Dagegen ist eine Gestalt verwendbar, die, von einem regelmässigen Oktaeder ausgehend, dadurch entsteht, dass diesem ein Element entnommen oder eines zugesetzt wird, das in diesem Fall mit einem bereits vorhandenen die ganze Pyramidengrundfläche gemeinsam haben muss.
Auch ist ein Körper verwendbar, der aus dem regelmässigen Oktaeder gebildet worden ist, indem zwei Elemente beseitigt werden, sofern diese beiden keine Seitenfläche gemeinsam haben, da in diesem Fall ein Körper entstehen würde, der auch aus Elementen doppelter Grösse zusammengebaut sein könnte und somit bei diesem Entwurf nicht brauchbar ist.
Die erwünschte Frequenz ist nun eine Eigen- frequenz des so entworfenen Hohlraumresonators geworden, wobei, trotz der Vergrösserung der
Abmessungen verhältnismässig geringe Störung durch niedrige Eigenfrequenzen bei. der er-
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tritt oder diese sogar ganz fehlen können.
Bei der erwünschten Frequenz und Schwingungsart bilden sich nun im Hohlraumresonator Knotenebenen an der Stelle der Grenzflächen der imaginären Bausteine, Die erwünschte Schwingungsart kann durch eine an sich bekannte Wahl und Anordnung der Erregermittel bewerkstelligt werden. Die Erhöhung der Kreisgüte gegenüber derjenigen der "Grundform" (angenommen, dass das gleiche Wandmaterial verwendet wird) ist gleich der Zahl der verwendeten fiktiven Elemente multipliziert mit dem Quotienten aus der Wandoberfläche eines Elementes und der Wandoberfläche des entworfenen Resonators.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es stellt Fig. 1 a einen bekannten Hohlraumresonator dar, während die anderen Figuren Ausführungsformen des erfindungsgemässen Hohlraumresonators zeigen.
In Fig. 1 a ist 1 ein Wellenleiter, der am rechten Ende von der Wand 2 nahezu abgeschlossen ist. In diesem Wellenleiter bewegen sich elektrische Wellen mit verschiedenen Frequenzen von links nach rechts. Der Wellenleiter 1 ist durch die Öffnung 3 in der Wand 2 mit dem Hohlraumresonator 4 gekoppelt, der eine prismatische Gestalt aufweist, deren senkrecht über die Erzeugende geführter Querschnitt in Fig. 1 a dargestellt ist. Hiebei wird ausschliesslich die Schwingungsart betrachtet, bei der die elektrischen Grössen unabhängig von der Höhenkoordinate im Prisma sind.
Ist es erwünscht, die Kreisgüte die s Hohlraumresonators zu erhöhen, so können zu diesem Zweck die Abmessungen vergrössert werden.
Dabei sinkt jedoch die niedrigste Eigenfrequenz bei der betrachteten Schwingungsart herab. Wenn anstatt des Resonators 4 ein Hohlraumresonator verwendet wird, dessen Querschnitt mit 5 bezeichnet ist und das Vierfache desjenigen des Resonators 4 beträgt, dem er geometrisch ähnlich ist, so wird diese niedrigste Eigenfrequenz auf die Hälfte herabsinken. Die niedrigste Eigenfrequenz des Resonators 4 ist jedoch noch eine Eigenfrequenz von 5, so dass 5 auch für die gleiche Frequenz wie 4 verwendbar ist. Dies ist jedoch nicht die niedrigste Eigenfrequenz des Resonators 5 und, wie vorstehend angegeben, bereitet das Vorhandensein von die erwünschte Frequenz unterschreitenden Eigenfrequenzen
Schwierigkeiten.
In Fig. l b, in der der Fig. 1 a entsprechende Teile mit gleichen Ziffern bezeichnet sind, bezeichnet 6 einen erfindungsgemässen Hohlraum resonator. Der von der Wand des Hohlraumresonators 6 umschlossene Raum kann als aus Prismen zusammengebaul angenommen werden, deren Grundfläche ein Quadrat ist, wie dies in der Figur durch gestrichelte Linien angegeben ist.
Infolge des Vorhandenseins der "Seitenkammer" 7, deren Querschnitt gleichfalls ein solches Quadrat ist, wird hier bewerkstelligt, dass eine Anzahl der Eigenfrequenzen, die im Hohlraumresonator entsprechender Form, jedoch ohne Seitenkammer auftreten und die niedrigste Eigenfrequenz unterschreiten, bei der betrachteten Schwingungsart eines Hohlraumresonators prismatischer Form mit einem Querschnitt gleich einem der kleinen
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in Fig. I b gestrichelt angegebenen Quadrate, nicht mehr als Eigenfrequenzen auftreten. So z. B. die Eigenfrequenz, bei der die in Fig. l b angegebenen, senkrechten Linien Knotenlinien sind.
Die Seitenkammer führt hier eine Vergrösserung der Abmessungen des Hohlraum- resonators herbei, und die niedrigeren Eigen- frequenzen sind verhältnismässig wenig hinderlich.
Gegenüber dem Fall, dass anstatt des Hohlraum- resonators 4 ein Hohlraumresonator prismatischer
Form verwendet wird, dessen Grundfläche gleich einem der in der Figur dargestellten Quadrate ist, ist sowohl eine Vergrösserung des Volumens als auch eine Vergrösserung der Oberfläche bewerk- stelligt.
Das Volumen ist das Elffache geworden, die Wandoberfläche jedoch weniger als das Elf- fache, da diese aus zwei Teilen besteht, u. : : w. aus den Grundflächen, die das Elffache und den
Seitenwänden, die das Fünffache geworden sind.
Auf diese Weise ergibt sich eine Erhöhung der
Kreisgüte um einen Faktor 11 : 5 = 2-2, wenn die Höhe gross gegenüber den anderenAbmessungen bei gleichbleibender Eigengrundfrequenz ist.
Fig. 2 stellt einen anderen Hohlraumresonator gemäss der Erfindung dar, der z. B. anstatt des
Hohlraumresonators 4 bei der Schaltung nach
Fig. 1 verwendbar ist. Der von den Wänden dieses Hohlraumresonators umfasste Raum kann als aus 65 kongruenten Würfeln zusammen- gebaut angenommen werden. 64 derselben bilden gemeinsam einen Würfel mit einer Kante, die das Vierfache derjenigen des kleinen Würfels ist ; der 65ste bildet wieder eine Seitenkammer 10 mit Seitenflächen in der Verlängerung der anderen
Würfelflächen. Letztere ist auf der Seite 11 offen und kann somit z. B. mit einem Wellenleiter gemäss Fig. l gekoppelt werden.
Wird nun die
Schwingungsart eines Würfels betrachtet, bei der die Schwingung symmetrisch in bezug auf die drei Würfelachsen ist, so ist ersichtlich, dass die der niedrigsten Eigenfrequenz des kleinen Würfels gleiche Frequenz bei der vorausgesetzten Schwin- gungsart gleichfalls eine Eigenfrequenz des in Fig. 2 dargestellten Hohlraumresonators ist.
Dabei bilden sich im grossen Würfel Knoten- ebenen in der dargestellten Art. Es ist ersichtlich, dass infolge des Vorhandenseins der Seitenkammer diejenige Eigenfrequenz des grossen Würfels, bei der ausschliesslich Knotenebenen gemäss den in der Figur angegebenen Strichpunktlinien auf- treten, keine Eigenfrequenz des (durch die Ver- einigung des grossen Würfels mit der Seiten- kammer gebildeten) Hohlraumresonators als
Ganzes mehr ist. Auch hier ist eine Erhöhung der Kreisgüte gegenüber dem von dem kleinen
Würfel gebildeten Hohlraumresonator gegeben, u. zw. um einen Faktor 4. 25.
Fig. 3 ist ein senkrechter Schnitt durch einen prismatischen Hohlraumresonator, dessen von den Wänden umschlossener Raum als aus fünf
Prismen von gleichem quadratischem Querschnitt zusammengebaut angenommen werden kann, die gemeinsam das grosse Quadrat 20 und die
Seitenkammer 21 bilden. Dabei soll die Schwin- gungsart verwendet werden, bei der die elektrischen Grössen von der Höhenkoordinate im Prisma unabhängig sind.
Wird ein Hohlraum- resonaer von der dargestellten Form jedoch ohne Seitenkammer 21, für diejenige Frequenz benutzt, die auch die niedrigste Eigenfrequenz eines Hohlraumresonators von der Gestalt eines der Elemente ist, alles bei der betrachteten Schwingungsart, so ist ersichtlich, dass in der Arbeitsfrequenz noch nidiigere Eigenfrequenzen des HohlraumresoMtors enthalten sind, die störend wirken können. Sie sind jimächst die niedrigste Eigenfrequenz bei der betrachteten Schwingungsart, bei der gar keine Knotenlinien im grossen Quadrat auftreten, und dann die Schwingungsart mit einer einzigen Knotenlinie. Letztere kann sich auf zweierlei Weise vollziehen, u. zw. mit in der Figur waagrechter oder senkrechter Knotenlinie.
Infolge des Vorhandenseins der Seitenkammer 21 wird die Grösse der zuerst genannten
Eigenfrequenz etwas verschoben. Diese Schwin- gung wird jedoch infolge des Vorhandenseins der Seitenkammer 21 nicht unterdrückt werden.
Zu diesem Zweck ist ein Leiter 22 vorgesehen, der die Mitten der unteren und der oberen Fläche des Hohlraumresonators miteinander verbindet.
Dieser Leiter verhindert das Auftreten der zuerst genannten, verschobenen Eigenfrequenz bei der betrachteten Schwingungsart im dargestellten
Hohlraumresonator. Es ergibt sich jedoch, dass infolge der Wirkung der Seitenkammer auch die an zweiter Stelle erwähnten Eigenfrequenzen nicht mehr auftreten können. Auf diese Weise ist bei diesem Hohlraumresonator die niedrigste
Eigenfrequenz der betrachteten Schwingungsart gleich der niedrigsten Eigenfrequenz bei der betrachteten Schwingungsart bei einem Hohl- raumresonator, dessen Querschnitt dem des kleinen Quadrates entspricht.
Gegenüber diesem letzteren Hohlraumresonator ist bei dem nach
Fig. 3, wenn die Höhe gegenüber den anderen
Abmessungen gross ist, die Wandoberfläche das zweieinhalbfache, der Inhalt jedoch das Fünf- fache, so dass die Kreisgüte etwa verdoppelt ist.
Die Fig. 4 und 5 stellen weitere Abwandlungen der Querschnittsbildung des in Fig. 3 dargestellten prismatischen Hohlraumresonators dar, die der gleichen Schwingungsart dienen sollen. Die niedrigste Eigenfrequenz des Hohlraumresonators nach Fig. 4 ist wieder gleich derjenigen eines
Hohlraumresonators, dessen Querschnitt dem der kleinen Quadrate entspricht, alles bei der betrachteten Schwingungsart. Dies wird durch die dargestellte Form und durch Anordnung des Leiters 30 erreicht.
Die niedrigste Eigenfrequenz des in Fig. 5 dargestellten Hohlraumresonators ist gleich der- jenigen des Hohlraumresonators, dessen Quer- schnitt gleich emem der kleinen Dreiecke ist.
Dies wird hier gleichfalls durch die Form und die
Anordnung des Leiters 40 bewerkstelligt. Ist die Höhe gross gegen die Querabmessungen, so ergibt sich beim Hohlraumresonator nach
Fig. 4 eine Vergrösserung der Kreisgüte um
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Andere Weiterbildungen der Querschnitte der prismatischen Hohlraumresonatoren, die sich als günstig erwiesen haben, sind in Fig. 6 und 7 dargestellt. Dabei sind für die Elemente die Grundformen nach Fig. 4 bzw. Fig. 5 verwendet, also Prismen mit quadratischer bzw. dreieckiger Grundfläche. Der die untere und obere Fläche verbindende Leiter ist an der Stelle 50 bzw. 60 angeordnet. Der Gewinn an Kreisgüte ist bei einem Hohlraumresonator nach Fig. 6 durch den Faktor 3,4 und für einen solchen nach Fig. 7 durch den Faktor 3 bestimmt, wenn die Höhe gross gegen die Querabmessungen ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hohlraumresonator, der von einer nahezu geschlossenen leitenden Wand begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass er aus kongruenten Raumelementen von endlichen Abmessungen und einfachster geometrischer Gestalt aufgeoaut werden kann, so zwar, dass die grösstmöglichen derartigen Elemente paarweise eine ganze Seiten- fläche gemeinsam haben und bei jeder nicht in der leitenden Wand liegenden gemeinsamen Kante die Grenzfaehen der Elemente durch diese Kante paarweise ineinander übergehen, wobei ein jedes dieser Raumelemente dem Innenraum eines elementaren Hohlraumresonators entspricht, dessen niedrigste Eigenfrequenz gleich der zu erregenden Frequenz bei der gleichen Schwingungsart ist, und wobei die Erregung des gesamten Hohlraumresonators so durchgeführt wird,
dass jedes der kongruenten Raumelemente auf die gleiche Weise an der Schwingung beteiligt ist, wie dies bei dem elementaren Hohlraumresonator der Fall wäre, so dass alle Grenzflächen der Raumelemente Knotenflächen sind.