AT218619B - Durch Drehbewegung abstimmbarer Hohlraumresonator, insbesondere für unmittelbar ablesbare Frequenzmesser - Google Patents

Description

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  Durch Drehbewegung abstimmbarer Hohlraumresonator, insbesondere für unmittelbar ablesbare Frequenzmesser 
Bei der Konstruktion von Breitbandfrequenzmessern für Höchstfrequenzen, z. B. über 3000 MHz, bereitet die gleichzeitige Geltendmachung zweier wichtiger Gesichtspunkte grosse Schwierigkeiten. Der erste ist die Sicherung einer verhältnismässig schnellen Bedienung und einer unmittelbaren Ablesung, der zweite die Gewährleistung einer kontaktlosen Abstimmung ohne Anwendung von Leitungsabschnitten verschiedener Impedanzen oder von kontaktlosen   Kurzschlussschiebern.   



   Die schnelle Bedienung und die unmittelbare Ablesung setzt den Verzicht auf die Anwendung von Vorschubmechanismen mit Mikrometerantrieb voraus, bei welchen der Durchgriff eines nicht allzu breiten Frequenzbereiches der mehrmaligen Umdrehung des Abstimmgliedes mit Schraubenantrieb bedarf. Die Lösung einer kontaktlosen Abstimmung ist darum   unentbehrlich, weil der Übergangswiderstand der   Schleifkontakte und die   verhältnismässig   grosse Kraftentfaltung, welche zu ihrer Bedienung notwendig ist, die ständige Einstellgenauigkeit des   Resonators-d. h.   die Möglichkeit der Wiederholung der Messungen mit   demselben Messergebnis - sehr ungünstig beeinträchtigt.

   Dasselbe gilt im Falle   der Anwendung von kontaktlosen Kurzschlussschiebern, die einen hochfrequenten Kurzschluss in einer Resonatorebene ohne Kontakt zwischen dem verstellbaren Glied und der   Resonatorwandungermöglichen. Da   entsteht wiederum die Notwendigkeit einer geradlinigen Bewegung des   Abstimmgliedes, welche   aber die oben bewerteten Vorschubmechanismen voraussetzt. 



   Besonders bei   Betriebshöchstfrequenzmessernkönnen   derartige Vorschubmechanismen mit langwieriger Bedienung kaum angewendet werden. Die Anwendung eines solchen Antriebes kann jedoch bei der   ilblichen Abstimmung eines Hohlraumresonators von der Schwingungsart TMl00   nicht entbehrt werden, wobei in den Hohlraum ein eine konzentrierte kapazitive Belastung darstellender Leiter eingeschoben wird, dessen Vorschub von wenigen Millimetern schon   die Durchstimmung des gesamten Frequenzbereiches   zur Folge hat ; dabei besteht noch die Notwendigkeit   der Verwendung von Schleifkontakten   und Abschlussgliedern, deren Herstellung grosse technische Schwierigkeiten bereitet. 



   Dieselben Probleme sind auch bei der Abstimmung von koaxialen Hohlraumresonatoren vorhanden, bei denen die Abstimmung mittels eines in der koaxialen Leitung bewegten Kurzschlussschiebers erfolgt. 



  Bei den in der Schwingungsart   TE101   schwingenden Hohlräumen wird die Länge des Hohlraumes mittels einer längs des Hohlraumes von aussen bewegbaren leitenden Scheibe verändert, selbstverständlich auch hier unter Verwendung eines Mikrometerantriebes. Hohlraumresonatoren dieser Art besitzen aber einen ganz beträchtlichen Rauminhalt und sind insbesonders für Präzisionsmessungen geeignet. 



   Die Erfindung bezieht sich auf einen vorzugsweise in der Schwingungsart   TM100 - oder   nach der andern weitverbreiteten Bezeichnung in Schwingungsart Eo - schwingenden Hohlraumresonator, bei welchem die einen Frequenzbereich von mindestens 1 : 2 umfassende Abstimmung unmittelbar durchDrehbewegung ohne die Anwendung   von Schleifkontakten oder diesen entsprechenden Abschlussgliedern bei unmittelbarer,   schneller Ablesbarkeit derart gewährleistet ist, dass der Zusammenhang zwischen dem Drehbewegungswinkel   s    und der hervorgerufenen Frequenzänderung annähernd linear ist. 



   Der Gegenstand der Erfindung ist ein durch Drehbewegung abstimmbarer Hohlraumresonator, insbe- 

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 sonders für unmittelbar ablesbare Frequenzmesser, bei dem ein längs einer Halbkreisbahn um eine nichtmetallische drehbare Achse   verschwenkbarer metallischer Abstimmkörper die elektromagnetische   Feldverteilung und zugleich die Schwingungsart des Hohlraumresonators zur Erweiterung des Frequenzbereiches unter Linearisierung des Zusammenhanges zwischen dem Verschwenkungswinkel   cl   des Abstimmkörpers und der Änderung der Eigenfrequenz des Hohlraumresonators weitgehend   umgestaltetund   die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der etwa zylinderförmig ausgebildete Resonatorraum in der Raummitte, wo sich der metallische Abstimmkörper in seiner Anfangsstellung befindet,

   vorzugsweise durch Anordnung je einer Erhöhung an jeder der beiden Endflächen eine verringerte Höhe aufweist und in der Seitenwandung 
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 nig geringer als die Höhe des Hohlraumresonators ist. 



   Es gibt bereits eine bekannte Lösung für die Abstimmung von Hohlraumresonatoren. nach welcher ein Abstimmkörper in einem geometrisch regelmässig ausgebildeten Hohlraum um eine Achse gedreht wird. Diese Lösung ruft aber wegen der Ausgestaltung des Hohlraumes und der Bemessung des   Abstimmkörpers   nur eine begrenzte, quantitative und keinesfalls eine wesentliche, qualitative Änderung in dem elektromagnetischen Feld des Resonators hervor : Die   Verhältniszahl der Frequenz nderuug   des Raumes bei einem derart ausgebildeten Resonator bzw. Abstimmkörper beträgt höchstens   1 : 1. 15.

   Auch   im Falle einer Weiterentwicklung dieser Lösung durch Erhöhung des Abstimmkörpers bis zur annähernd vollen Höhe des Rau-   meserreicht der Resonator nur einen Frequenzdurchgriffvonetwa 1 : 1, 5.   Das bedeutet in Frequenzwerten, dass ein Hohlraumresonator von 3500 MHz Mindestfrequenz nur eine Höchstfrequenz von etwa 3900 MHz bzw. 5200 MHz erreicht, wobei der Zusammenhang zwischen dem Drehungswinkel   cl   des Abstimmkörpers und der Frequenzänderung des Resonators keinesfalls als linear angesehen werden kann. Den heutigen Erfordernissen kann aber nur ein solcher Hohlraumresonator Genüge leisten, der einen Frequenzbereich von   1 : 2, vorzugsweise l : 2, 2, bei linearem Frequenzgang besitzt, d. h. ein Resonator, der von z. B. 3500 MHz    bis zu 7500 MHz möglichst linear abstimmbar ist. 



   Die erfindungsgemässe Lösung und eine mögliche Ausführungsform dieses Gedankens wird an Hand der folgenden Beschreibung und Zeichnungen erläutert :
Bei den Hohlraumresonatoren der Schwingungsart   TMI00     (EO)   besteht in der Mitte des Resonators eine maximale elektrische Feldstärke E, in der Wandungsnähe dagegen eine maximale magnetische Feldstärke M. Durch eine konzentrierte kapazitive Belastung wird diese Feldverteilung in Abhängigkeit von der förmlichen Ausgestaltung des Resonatorraumes, der Bemessung des   Abstimmkörpers   und seiner Bewegungsbahn verändert. 



   Fig. l veranschaulicht die Feldverteilung eines bekannten,   geometrisch regelmässigen rechteckigen   Hohlraumresonators bei der Mittelstellung eines zylindrischen   Abztimmkörpers   von einem   Ausmass, welches   nur einen Bruchteil der Resonatorraumhöhe in Anspruch nimmt. Fig. 2 zeigt dieselbe Anordnung in der wandungsnahen Stellung des Abstimmkörpers. Fig. 3 zeigt die   erfindungsgemasse geometrisch unregelmä-   ssige Ausgestaltung eines Hohlraumresonators in Querschnittsdarstellung unter Hinweis auf die Lage des Abstimmkörpers ungefähr in Raummitte und in Wandungsnähe. Fig. 4 zeigt die elektromagnetische Feldverteilung eines erfindungsgemäss ausgeführten Resonators in der Mittelstellung des erfindungsgemäss bemessenen Abstimmkörpers.

   Fig. 5 stellt die Feldverteilung in der wandungsnahen Stellung des Abstimmkörpers dar. Fig. 6 enthält schliesslich drei   Frequenzbereich- bzw. Frequenzgang-Kennlinien, u. zw.   bei der Anwendung der bekannten Lösung I, im Falle der Weiterentwicklung dieser bekannten Lösung II und nach der Erfindung HI. 



   Aus Fig. l und 2 und den Kennlinien I und II der Fig. 6 ist ersichtlich, dass für den Frequenzbereich eines Hohlraumresonators nach der bekannten   Lösung - bei nichtlinearem Frequenzgang - nur   eine Verhältniszahl von etwa   1 : 1, 2   kennzeichnend ist ; dieser Verhältniswert kann nicht einmal durch Weiterenwicklung des bekannten Lösungsgedankens über einen Wert von 1 : 1, 5 erhöht werden, denn es gestaltet sich die Linearität der Kennlinie gerade in ungünstigem Sinne. 



   Der in Fig. 3 dargestellte, erfindungsgemässe Hohlraumresonator enthält in zwei Ausdehnungen geometrisch unregelmässige Gestaltungen. 



   Erstens : Der Hohlraum U wird durch eine ungeradlinige Wandung F umschlossen, die eine Wandungsausbuchtung Kü enthält, in welcher sich der an einer zwischen der ungefähren Raummitte K und der Wandung F angeordneten Achse T angebrachte metallische Abstimmkörper Ft in seiner Wandungsstellung teilweise befindet. 



   Die zweite geometrische Unregelmässigkeit   der Ausbildung des Hohlraumresonators ist eingehender   aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich. Vorzugsweise beide Endflächen des Resonators weisen in ihrer Mitte, wo der 

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 metallische Abstimmkörper Ft in seiner Anfangsstellung angebracht ist, je eine Erhöhung Kt auf, die die nützliche Höhe des Hohlraumresonators vermindert ; dieses Gebilde folgt in seiner gebogenen Form der Bewegungsbahn des Abstimmkörpers Ft, nimmt aber seiner Höhe nach in Richtung zur Seitenwand des   Reso-   natorraumes ständig   ab.

   So gelangt der auf einer Halbkreisbahn   bewegte metallische Abstimmkörper Ft aus einem Resonatorraum verminderten Ausmasses in einen Raum voller Höhe, dann verlässt er aber mit seinem überwiegenden Rauminhalt den Schwingungsraum des Resonators und gelangt in die Wandungsausbuchtung   Kil.  

Claims (1)

1. Der vorzugsweise zylindrische metallische Abstimmkörper nimmt in seiner Mittelstellung (niedrigere Frequenzen) den überwiegenden Teil der verminderten Resonatorraumhöhe in Anspruch und konzentriert in dieser Stellung das elektrische Feld in der Mittellinie des Resonators. In der wandnahen Stellung (höhere Frequenzen) befindet sich aber der metallische Abstimmkörper in der Wandungsausbuchtung Kü, also überwiegend ausserhalb des elektrischen und innerhalb des magnetischen Feldes des Resonators, dessen magnetische Feldverteilung im Vergleich zur elektrischen in entgegengesetztem Sinne beeinflusst wird.

   Die Kennlinie III der Fig. 6 zeigt diesen, seinem Wesen nach umgestellten elektromagnetischen Raum des Re- sonators, betreffs seines Frequenzbereiches und Frequenzganges, wobei sich für den Frequenzbereich eine Verhältniszahl von etwa 1 : 2, 2 und für den Frequenzgang eine weitgehende Linearität ergibt.

   Über die grundsätzliche Wirkungsweise der erfindungsgemässen Lösung sei noch bemerkt, dass bei der bekannten Lösung nur eir so genannter Perturbations-Leitungskörper im Resonatorraum in Bewegung gesetzt wird, da der Leitungskörper in der Makrostruktur des Raumes nur eine Störungs- (Perturbations-) wirkung hervorruft, ohne die Schwingungsart ihrem Wesen nach umzugestalten, bei der Erfindung dagegen bei der wandnahen Stellung des metallischen Abstimmkörpers (höhere Frequenzen), in welcher er fast die volle Resonatorhöhe in Anspruch nimmt, die Feldverteilung einem Topfresonator, in der Mittelstellung des Abstimmkörpers aber (niedrigere Frequenzen) einem beiderseitig mit Abschlusskapazitäten begrenzten Koaxialresonator entspricht.

   Bei der erfindungsgemässen Lösung unterscheidet sich qualitativ die elektromagnetische Feldverteilung in den zwei Extremstellungen des metallischen Abstimmkörpers : In der wandnahen Stellung besteht ein übliches, geteiltes elektrisches und magnetisches Feld, kennzeichnend für die Topfresonatoren, in der Mittelstellung des Abstimmkörpers gestaltet sich aber in der Raummitte aus den zwischen dem abgestimmten Resonator und dem Abstimmkörper entstandenen Abschlusskapazitäten ein konzentriertes elek- trisches, in der Wandnähe dagegen ein zylindersymmetrisch angeordnetes magnetisches Feld,

   wobei die erfindungsgemässe Lösung einen sprungfreien Resonatormodus-Übergang und einen linearen Schwingungsfrequenzgang gewährleistet. Der Frequenzgang lässt sich durch die entsprechende Ausgestaltung der Abschlusskapazitäten beeinflussen.

   Für die grundsätzliche Umgestaltung der Feldverteilung des Hohlraumresonators nach der erfindungsgemässen Lösung ist auch die Tatsache kennzeichnend, dass sich die Eigenfrequenz eines an sich bekannten Hohlraumresonators mit Hilfe der sogenannten Perturbationslehre mit guter Annäherung berechnen lässt, wobei für eine derartige Berechnungdie restlose Unveränderlichkeit der Feldverteilung eine wesensnotwendige Voraussetzung ist. Bei einem Hohlraumresonator nach der Erfindung aber führt diese Berechnungsart zu völlig falschen Ergebnissen, und die Eigenfrequenz eines erfindungsgemässen Hohlraumes ist nur auf Grund einer andern Methode-d. h. der Lehre der radialen Hohlleiter - festzustellen.

   Die erfindungsgemässe Lösung ermöglicht auf diese Weise die Ausbildung eines Hohlraumresonators, welcher durch die Ausgestaltung des Hohlraumes und die Bemessung des Abstimmkörpers eine wesentliche Umgestaltung der Feldverteilung im Resonatorraum und dadurch eine bedeutende Erweiterung des Frequenzbereiches bei möglichst linearem Frequenzgang gewährleistet. Dadurch wird es möglich, einen breitbandigen Hohlraumresonator - vorzugsweise als Frequenzmesser für Höchstfrequenzen - durch Drehbewegung so abzustimmen, dass mittels der Drehbewegung des Abstimmkörpers das Ausmass der Frequenz- änderung auch unmittelbar-in an sich bekannter Weise - abzulesen ist, unter Verzicht auf geradlinige Fortbewegung des Abstimmkörpers, ohne Schleifkontakte oder diesen entsprechende Abschlussglieder.

   PATENTANSPRÜCHE : l. Durch Drehbewegung abstimmbarer Hohlraumresonator, insbesondere für unmittelbar ablesbare Frequenzmesser, bei dem ein längs einer Halbkreisbahn um eine nichtmetallische drehbare Achse verschwenkbarer metallischer Abstimmkörper die elektromagnetische Feldverteilung und zugleich die Schwingungsart des Hohlraumresonators zur Erweiterung des Frequenzbereiches unter Linearisierung des Zusammenhanges zwischen dem Verschwenkungswinkel cp des Abstimmkörpersund der Änderung der Eigenfrequenz des Hohlraumresonators weitgehend umgestaltet, dadurch gekennzeichnet, dass der etwa zylinderförmig ausgebildete Resonatorraum in der Raummitte, wo sich der metallische Abstimmkörper in seiner <Desc/Clms Page number 4> Anfangsstellung befindet,

   vorzugsweise durch Anordnung je einer Erhöhung an jeder der beiden Endflächen, eine verringerte Höhe aufweist und in der Seitenwandung des Resonatorraumes zur teilweisen Aufnahme des metallischen Abstimmkörpers in seiner Endstellung eine Wandungsausbuchtung vorgesehen ist, wobei die Höhenabmessung des metallischen Abstimmkörpers nur wenig geringer als die Höhe des Hohlraumresonators ist.

   2. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endflächen des Resonatorraumes mit bogenförmig ausgebildeten Erhöhungen versehen sind, deren Höhenabmessung in der Bewegungsrichtung des aus der Mittellage gegen die Seitenwandausbuchtung hin verschwenkbaren metallischen Abstimmkörpers gleichmässig abnimmt.