DD238288A1 - Kopplungsanordnung fuer einen hohlraumresonator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Ankopplung eines Hohlraumresonators als reflexionsfreies Abschlusselement einer Leitung. Ziel der Erfindung ist es, die Ankopplung fuer einen Hohlraumresonator an eine Leitung mit wesentlich geringerem technischem Aufwand als bisher zu ermoeglichen, wobei keine unerwuenschten Wellentypen uebertragen werden und die Resonatorguete verbessert wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kopplungsanordnung mit schneller elektronischer Regelung des Kopplungsfaktor im Arbeitsfrequenzbereich zu entwickeln, die eine Ankopplung an eine annaehernd beliebig starke Hohlraumresonatorkammerwand ueber eine einen hohen Guetefaktor gewaehrleistende relativ kleine Kopplungsoeffnung ermoeglicht. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass die Ankopplung des Rechteckhohlleiters an den Hohlraumresonator ueber eine Finleitung erfolgt, die in die Kopplungsoeffnung (8) hineinragt. Auf der Finleitung sind die Schlitzbreite der Finleitung reduzierende symmetrische Diskontinuitaeten ausgebildet, zwischen denen Kapazitaetsdioden angebracht sind. Die Erfindung kann in der Elektronenspin-Resonanz-Spektroskopie angewendet werden. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ankopplung eines Hohlraumresonators als reflexionsfreies Abschlußelement einer Leitung. Derartige Anordnungen finden bei Messungen in der Elektronenspin-Resonanz-Spektroskopie (EPR) Anwendung, bei denen sich beim Einbringen einer Materialprobe in den Hohlraumresonator die Ankopplungsbedingungen ändern und somit eine Nachregelung erforderlich wird.

Die Anordnung läßt sich auch in anderen Schaltungen einsetzen, bei denen Hohlraumresonatoren als Abschluß- oder als Durchgangselement mit veränderlicher Ankopplung eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Im EPR-Spektrometerwird die paramagnetische Probe in einem Hohlraum-Meßresonator an einem Ort eingebracht, an dem die magnetische Feldstärke ein Maximum und die elektrische Feldstärke ein Minimum aufweisen.

Tritt nun die Elektronenspinresonanz bei einem entsprechenden Verhältnis der Frequenz des Mikrowellen-Magnetfeldes zur Intensität des Gleichmagnetfeldes in Erscheinung, äußert sich dies in einer Änderung der komplexen Suszeptibilität der Probe, die demzufolge bei zuvor abgestimmtem Meßresonator eine Güte- und eine Resonanzfrequenzänderung verursacht. Will man nacheinander unterschiedliche Proben messen, die eine unterschiedliche Grundsuszeptibilität aufweisen, muß die Arbeitsfrequenz jeweils nachgestimmt werden, da unterschiedliche Proben den Meßresonator unterschiedlich in seiner Resonanzfrequenz beeinflussen. Um weiterhin zu ermöglichen, daß die Mikrowellenenergie bei sehr verschiedenartigen Proben weitestgehend reflexionsfrei in den Meßresonator gelangt, ist es notwendig, auch den Kopplungsfaktor der Kopplungsanordnung des Hohlraummeßresonators der jeweiligen Probe anzupassen. Wird die Mikrowellenenergie beispielsweise über einen Rechteckhohlleiter und eine Kopplungsöffnung der Resonatorkammer zugeführt, kann die Einstellung des Kopplungsfaktors z. B. durch eine als veränderliches Koppelelement wirkende Justierschraube erfolgen /Hyde, I.: „Coaxial line to microwave cavity coupling section comprising a waveguide beyond cutoff" USA Patent No.3896400. Hartmann, R.: „Device for adjusting the coupling between a transmission line and resonant cavity" USA Patent No. 3518 580/. Die Kopplungsöffnung darf eine Mindestgröße nicht unterschreiten, die jedoch verhältnismäßig groß im Vergleich zu den Abmessungen des Hohlraummeßresonators ist. Dadurch werden wiederum die Mikrowellenströme in der Resonatorwand gestört, was zu einer Verringerung der Resonatorgüte führt. Außerdem sind Kopplungsöffnungen meistens runde Gebilde, die Felder beliebiger Polarisationsrichtungen übertragen. Aus diesem Grunde ist es möglich, daß neben den erwünschten, auch unerwünschte Wellentypen in den Meßresonator gelangen können.

Ein weiterer Nachteil einer solchen Kopplungsvorrichtung besteht darin, daß die mechanische Justage des Kopplungsfaktors durch das Meßpersonal immer mit einem subjektiven Fehler verbunden ist. Dies kann zur Verschlechterung der elektronischen Parameter des EPR-Spektrometers führen.

Bei der mechanisch einstellbaren Kopplungsanordnung wäre der Aufbau einer automatischen Regelung mit einem technisch nicht vertretbaren Aufwand verbunden.

Im EPR-Spektrometer wird der Meßresonator zum Zwecke der Meßwertverarbeitung einem NF-Modulationsfeld ausgesetzt, was durch die Modulationsspulen, die direkt am Resonator befestigt sind, ermöglicht wird. Um die Modulationswirbelstromverluste gering zu halten und wegen der Störsignalfreiheit im Arbeitsfrequenzgebiet, wird der Hohlraummeßresonator aus einem Keramikkörper gefertigt, dessen Kammeroberfläche mit einer elektrisch sehr gut leitenden

Metallisierung beschichtet ist. Aus Festigkeitsgründen darf die Wandstärke des Keramikkörpers am Ort der Kopplungsöffnung ein Mindestmaß nicht unterschreiten. Andererseits ist jedoch zur besseren Einkopplung der Mikrowellenenergie in den Resonator am Ort der Koppelöffnung eine möglichst geringe Wanddicke anzustreben. Übliche Wanddicken betragen etwa 0,5mm. Dabei ist die Kopplungsschraube allgemein bei EPR-Spektrometem mit Lochkopplung in unmittelbarer Nähe der Kopplungsöffnung justierbar angeordnet.

Die Fertigung solcher Kopplungsanordnungen ist mit hohem präzisionsmechanischem Aufwand verbunden. Es ist auch die Ankopplung eines Hohlraumresonators bekannt, dessen Kopplungsöffnung einen wenigstens andeutungsweise U- bzw. V-förmigen Querschnitt mit einer Zunge aufweist, die keine unerwünschten Wellentypen überträgt/Hadbarny, J.: „Ankopplung eines Hohlraumresonators an einen Leitungskreis bzw. an einen weiteren Hohlraumresonator", BRD Auslegeschrift Nr. 2 154657/. Nachteilig bei dieser Anordnung wirkt sich aus, daß hier der Kopplungsfaktor nicht einstellbar verändert werden kann. Außerdem muß die Kopplungsöffnung verhältnismäßig groß sein, wodurch der Gütefaktor des Resonators verringert wird. Eine Kopplungsanordnung eines Hohlraummeßresonators mit schneller elektronisch regelbarer Kopplungsfaktoränderung ist nicht bekannt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Ankopplung für einen Hohlraumresonator an eine Leitung mit wesentlich geringerem technischem Aufwand als bisher zu ermöglichen, wobei keine unerwünschten Wellentypen übertragen werden und die Resonatorgüte verbessert wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kopplungsanordnung mit schneller elektronischer Regelung des Kopplungsfaktors im Arbeitsfrequenzbereich zu entwickeln, die eine Ankopplung an eine annähernd beliebig starke Hohlraumresonatorkammerwand über eine einen hohen Gütefaktor gewährleistende relativ kleine Kopplungsöffnung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird das bei einer Kopplungsanordnung zur Kopplung eines Hohlraumresonators an einen Rechteckhohlleiter mit einer Kopplungsöffnung in der Wand zwischen Hohlraumresonator und Rechteckhohlleiter sowie Justierschrauben zur Grundeinstellung des Kopplungsfaktors dadurch erreicht, daß in einer Rechteckhohlleiterfassung eine metallisierte Substratplatte in Längsrichtung senkrecht in der Mitte der breiten Seite des Rechteckhohlleiters angebracht ist. Auf der Substratplatte ist ein Übergang vom Rechteckhohlleiter auf eine Finleitung, der in eine homogene Finleitung übergeht, ausgebildet. Die Substratplatte kann zweiseitig oder einseitig metallisiert sein, so daß die Finleitung als bilaterale oder unilaterale Finleitung ausgebildet ist. Die Finleitung endet an der dem Hohlraumresonator zugewandten Stirnseite abrupt, wobei die Breite der Metallisierung der Finleitung von den Rechteckhohlleiterwänden aus zur Stirnseite hin abnimmt. Die Finleitung ragt in die Kopplungsöffnung hinein, so daß die Stirnseite der Substratplatte in einer Ebene mit der Hohlraumresonatorinnenwand angeordnet ist. Auf der Finleitung sind mehrere die Schlitzbreite der Finleitung reduzierende symmetrische Diskontinuitäten ausgebildet, die in einem Abstand zur Stirnseite von etwa einem Viertel der Leitungswellenlänge und gegebenenfalls Vielfachen davon angeordnet sind. Zwischen den Diskontinuitäten sind auf jeder metallisierten Seite der Substratplatte je zwei Kapazitätsdioden angebracht, deren Anschlußelektroden an den Diskontinuitäten befestigt sind und zu deren Spannungszuführung Durchführungskondensatoren vorgesehen sind. Die Metallisierungen einer Seite sind durch Isolierfolie von der Rechteckhohlleiterfassung galvanisch getrennt. Die Diskontinuitäten können so ausgebildet sein, daß die Schlitzbreite abrupt geändert wird oder sie sind in Form einer kontinuierlichen Verringerung der Schlitzbreite bis zum Befestigungspunkt der Kapazitätsdioden und danach in Form einer kontinuierlichen Vergrößerung bis zum Erreichen der Schlitzbreite gestaltet. Der Ort der Kopplungsöffnung in der Hohlraumresonatorwand wird so gewählt, daß das Feld im Hohlraumresonator eine Verlängerung der Feldverteilung der Finleitung darstellt und ist je nach Resonatortyp verschieden. Die Kopplungsöffnung kann oval oder schlitzförmig ausgebildet sein.

Zusätzlich sind in geringem Abstand von der Kopplungsöffnung auf der Mitte der Breitseite des Rechteckhohlleiters Justierschrauben angebracht, mit denen die Grundeinstellung der Kopplungsanordnung vorgenommen wird. An einem Hohlraumresonator können zwei oder mehrere identische Kopplungsvorrichtungen angeordnet sein, so daß der Resonator ein Durchgangselement bildet.

Im abgestimmten Zustand ist der Blindanteil der Impedanz des Meßresonators Null und die Anordnung realisiert eine reflexionsfreie Anpassung des Rechteckhohlleiters an den Meßresonator. Tritt nun durch Temperaturdrift oder Probenwechsel eine Änderung des Blindanteils der Impedanz des Meßresonators ein, ändert sich neben der Resonanzfrequenz des Resonators auch der Grad der Ankopplung. Die Änderung der Resonanzfrequenz wird durch Änderung der Signalgeneratorfrequenz ausgeregelt. Durch gezielte Änderung der Vorspannung der Kapazitätsdioden ändert sich die an der Kopplungsöffnung transformierte Impedanz so, daß wieder eine reflexionsfreie Anpassung des Meßresonators eingestellt wird. Die Anordnung ist damit auch zur Frequenz-Feinabstimmung des Resonators geeignet.

Die Anwendung der Finleitung ermöglicht eine Bündelung der dem Meßresonator zugeführten Mikrowellenenergie im Spalt zwischen den Metallisierungen, womit sie praktisch mit geringen Verlusten in einen Meßresonator mit annähernd beliebig starker Resonatorwand eingekoppelt werden kann.

Dies erfolgt bei gleichzeitiger Verringerung der Kopplungsöffnung. Dabei wird auf der Finleitung nur die Hauptmode des Rechteckhohlleiters übertragen.

Ausführungsbeispiel

Anhand des in den Zeichnungen wiedergegebenen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1: Eine elektronisch regelbare Anordnung zur Ankopplung eines zylindrischen H_On Hohlraumresonators als reflexionsfreies

Abschlußelement einer Leitung, teilweise im Schnitt

Fig.2: Den Längsschnitt der breiten Seite des Rechteckhohlleiters in halber Höhe.

Figur 1 zeigt im Prinzip eine zweckmäßige Konstruktion einer elektronisch regelbaren Kopplungsanordnung entsprechend der Erfindung. Das Rechteckhohlleitergehäuse 1 erfüllt zwei Anforderungen: es bildet den Rechteckhohlleiterund dient gleichzeitig als Aufnahme der Substratplatte 2, die in der Mitte der breiten Seite längs des Hohlleiters positioniert ist. Die Stirnseite des Rechteckhohlleitergehäuses 1 kann als genormter Hohlleiterflansch (hier nicht dargestellt) gestaltet sein, so daß die Anordnung eine abgeschlossene Baugruppe darstellt.

Die Substratplatte 2 ist zweiseitig metallisiert, wobei man verschiedene Gebiete, die verschiedene Funktionen erfüllen, unterscheidet. Unmittelbar hinter der Stirnseite der Substratplatte 2, die zum Rechteckhohlleiterflansch hin gerichtet ist, befindet sich ein Übergang 3 vom Rechteckhohlleiter auf eine bilaterale Finleitung 4, die an der anderen Stirnseite 7 der Substratplatte 2 abrupt endet. Auf jeder Seite der bilateralen Finleitung 4 befinden sich zwei Diskontinuitäten 5 in Form von je zwei symmetrisch oder unsymmetrisch angeordneten Metallflächen, die die Schlitzbreite der Finleitung auf einen für das Einbringen einer Kapazitätsdiode 6 bzw. 12 technologisch erforderlichen Abstand verringern. Auf der Diskontinuität 5 sind die beiden Anschlußelektroden einer Kapazitätsdiode angebracht. Der Abstand zwischen der Kapazitätsdiode 6 und der Stirnseite 7 sowie zwischen den Kapazitätsdioden 6 und 12 beträgt etwa ein Viertel der Leitungswellenlänge. Dabei ragt die bilaterale Finleitung 4 in die Kopplungsöffnung 8 eines Hohlraumresonators 9, in diesem Anwendungsfall eines zylindrischen Hohlraumresonators mit Hon-Schwingungstyp, hinein, so daß die Stirnseite 7 in einer Ebene mit der Innenbeschichtung des Resonators liegt. Die Metallisierung desSubstrates.ist so gestaltet, daß die beiden Schlitzkanten der bilateralen Finleitung 4 in die Kopplungsöffnung 8 hineinragen. Dabei wird die Metallisierung der Finleitung 4 ausgespart, so daß in Richtung der Hohlleiterwand die Abmaße dieser Aussparung vergrößert werden. Die beschriebene Anordnung ermöglicht eine störungsfreie Übertragung der Mikrowellenenergie von der bilateralen Finleitung 4 in den Hohlraumresonator 9, weil die Mikrowellenenergie in der bilateralen Finleitung zwischen den Metallisierungen im Schlitz konzentriert ist. Die Größe der Kopplungsöffnung 8 ist so gewählt, daß das Streufeld am Ende der Finleitung nicht beeinflußt wird. Die Kopplungsöffnung 8 kann als Schlitz oder oval gestaltet werden; Formen die die Mikrowellenströme in der Hohlraumresonatorwand weniger stören, als eine kreisförmige Kopplungsöffnung, weil die Mikrowellenströme im vorliegenden H₀n-Resonator kreisförmig in der Mantelfläche des Resonators fließen. Die Schlitzbreite der Finleitung beträgt an der Ankopplungsstelle etwa 1 mm.

Auf der bilateralen Finleitung 4 sind die symmetrischen Diskontinuitäten 5 vorgesehen. Mit ihnen wird die Schlitzbreite verringert. Auf jede Diskontinuität 5 sind die beiden Anschlußelektroden je einer Kapazitätsdiode 6 oder 12aufgebondet. Jede Diskontinuität bildet zusammen mit der Kapazitätsdiode eine Gesamtkapazität, die über die Finleitung an die Stirnseite 7 transformiert wird. Mit der Variation der Vorspannungen der Kapazitätsdiode 6, die über die Durchführungskondensatoren 10 zugeführt werden, ändert sich deren Kapazitätswert. Somit ändert sich in Abhängigkeit von der Vorspannung der Kapazitätsdiode der Blindanteil der Impedanz der Kopplungsanordnung an der Ankopplungsstelle und entsprechend kann ein elektronisch regelbarer Kopplungsfaktor von ca. 1 für alle Frequenzen im Arbeitsfrequenzbereich realisiert werden. Dabei sind die Metallflächen, an denen die Durchführungskondensatoren 10 angeschlossen sind, durch eine Folie von der Rechteckhohlleitergehäusewand galvanisch getrennt. Die Anordnung weist an der Ankopplungsstelle 7 eine Impedanz auf, die sich aus einem konstanten und einem variablen Anteil zusammensetzt. Der konstante Anteil wird durch die gewählte Finleitungsstruktur 4, die am Ende der Finleitung 7 vorhandenen Blindelemente, die Lage und Abmessung der Diskontinuitäten 5 und die Grundimpedanz der Kapazitätsdiode 5 gebildet

Der variable Anteil ist die Kapazitätsvariation der Kapazitätsdioden 6 und 12.

Mittels zweier Justierschrauben 11 (Fig. 2) wird die Grundeinstellung der Impedanz an der Ankopplungsstelle 7 der Kopplungsanordnung vorgenommen. Die Schrauben ragen in den Rechteckhohlleiter, von seinen schmalen Seiten aus, hinein, wobei die Schraubenstirnflächen symmetrisch bezüglich des Schlitzes der bilateralen Finleitung liegen. Zweckmäßigerweise sind die Schrauben 11 in der Nähe der Kopplungsöffnung 8 angeordnet.

Die Lage der bilateralen Finleitung, ihre Schlitzbreite, der Abstand zwischen den Diskontinuitäten und der Stirnseite 7, die Schlitzbreite der Diskontinuitäten, die Größe der Kopplungsöffnung und der Durchmesser der beiden Schrauben hängen im wesentlichen vom Arbeitsfrequenzbereich, vom Hohlraumresonatortyp und von den Substrateigenschaften ab. Die symmetrische Diskonti η iutät 5 (Fig. 1) kann aus zwei nahe beieinander liegenden Schlitzbreitensprüngen, wie in Fig. 1 gezeigt ist, oder aus zwei allmählichen Übergängen der Schlitzbreite der Finleitung gebildet werden.

Mit der gewählten Anordnung wird erreicht, daß mittels des Übergangs 3 vom Rechteckhohlleiter auf Finleitung nur die Hauptmode des Rechteckhohlleiters auf die bilaterale Finleitung übertragen wird und auch auf dem Weg der Finleitung zur Resonatorkammer keine unerwünschten höheren Wellentypen entstehen.

In Abhängigkeit vom Arbeitsfrequenzbereich und dem Hohlraumresonatortyp kann anstelle der bilateralen Finleitung auch eine unilaterale Finleitung verwendet werden.

Der Rechteckhohlleiter kann durch einen Rundhohlleiter ersetzt werden, wobei dieTopologie des Substrates nicht geändert werden muß. Die Anordnung nach Fig. 1 läßt sich auch vorteilhaft zur elektronischen Regelung der Ankopplung von frequenzabstimmbaren Stabilisierungsresonatoren von Mikrowellenoszillatoren /Knöchel, R., Schünemann, K., Buchs, I.-D. „Theory and performance of cavity stabilised microwave oscillators", Microwaves, Optics and Acoustics, v. 1,JuIy 1977, No. 4, pp. 143-155/verwenden. Diese werden eingesetzt, um die geforderten Oszillatorparameter, z.B. spektrale Reinheit, Frequenzstabilität oder maximale Ausgangsleistung zu erreichen.

Aus anwendungstechnischen Gründen wird meistens eine Einknopfabstimmung benötigt. Diese ist bei elektronisch geregelter Ankopplung einfach zu realisieren, unabhängig davon, ob der Resonator als Reflexions-oder Transmissionselement (mit 2 Ankopplungen) eingesetzt wird.

Claims (5)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Kopplungsanordnung für einen Hohlraumresonator mit einem Rechteckhohlleiter mit einer Kopplungsöffnung in der Wand zwischen Hohlraumresonator und Rechteckhohlleiter sowie Justierschrauben zur Grundeinstellung des Kopplungsfaktors, gekennzeichnet dadurch, daß in einer Rechteckhohlleiterfassung (1) eine metallisierte Substratplatte (2) in Längsrichtung senkrecht in der Mitte der breiten Seite des Rechteckhohlleiters angebracht ist, daß auf der Substratplatte (2) ein Übergang (3) vom Rechteckhohlleiter auf eine Finleitung, der in eine Finleitung übergeht, ausgebildet ist, daß die Finleitung an der dem Hohlraumresonator (9) zugewandten Stirnseite (7) der Substratplatte (2) abrupt endet, wobei die Breite der Metallisierung der Finleitung von den Rechteckhohlleiterwänden aus zur Stirnseite hin abnimmt, daß die Finleitung in die Kopplungsöffnung (8) derartig hineinragt, daß die Stirnseite (7) der Substratplatte (2) in einer Ebene mit der Hohlraumresonatorinnenwand angeordnet ist, daß auf der Finleitung die Schlitzbreite der Finleitung reduzierende symmetrische Diskontinuitäten (5) ausgebildet sind, die in einem Abstand zur Stirnseite (7) von etwa ein Viertel der Leitungswellenlänge oder Vielfachen davon angeordnet sind, daß zwischen den Diskontinuitäten (5) auf jeder metallisierten Seite der Substratplatte (2) je zwei Kapazitätsdioden (6) und (12) angebracht sind, deren Anschlußelektroden an den Diskontinuitäten (5) befestigt sind und zu deren Spannungszuführungskondensatoren (10) vorgesehen sind.
2. 2. Kopplungsanordnung für einen Hohlraumresonator nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Substratplatte (2) zweiseitig metallisiert ist und die Finleitung (4) ausgebildet ist.
3. 3. Kopplungsanordnung für einen Hohlraumresonator nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Substratplatte (2) einseitig metallisiert ist und die Finleitung als unilaterale Finleitung ausgebildet ist.
4. 4. kopplungsvorrichtung für einen Hohlraumresonator nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die symmetrischen Diskontinuitäten (5) in Form einer kontinuierlichen Verringerung der Schlitzbreite bis zum Befestigungspunkt der Kapazitätsdioden und danach in Form einer kontinuierlichen Vergrößerung bis zum Erreichen der Schlitzbreite der Finleitung gestaltet sind.
5. 5. Kopplungsvorrichtung für einen Hohlraumresonator nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens zwei identische Kopplungsvorrichtungen an einem Hohlraumresonator (9) angeordnet sind.