DE102010044267B4 - compensation unit - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung für Hohlleiter, insbesondere für die Anwendung als Ausgangsfilter in Multiplexern, bestehend aus einem nach oben hin teilweise offenen Resonator (4) mit einer Kompensationseinheit (3), an der ein axial frei beweglicher metallischer oder metallisierter Kompensationsteller (1) angeordnet ist, wobei der Kompensationsteller (1) mittels eines Stiftes (2; 6) durch die Kompensationseinheit (3) axial verschiebbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinheit (3) ein Bimetall oder ein Material mit höherem Ausdehnungskoeffizient als der Resonator (4) ist und ausgeführt ist, durch eine thermische Ausdehnung eine Kraft auf den mindestens einen Stift (2; 6) auszuüben und diesen zu verschieben. Device for waveguides, in particular for use as output filter in multiplexers, consisting of an upwardly partially open resonator (4) with a compensation unit (3) on which an axially freely movable metallic or metallized compensation plate (1) is arranged, wherein the Compensation actuator (1) by means of a pin (2, 6) by the compensation unit (3) is axially displaceable; characterized in that the compensation unit (3) is a bimetal or a material with a higher coefficient of expansion than the resonator (4) and is designed to exert a force on the at least one pin (2; 6) by thermal expansion and displace it.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Kompensationseinheit für das Tuning von High-Power-Resonatoren zur Kompensation von Änderungen der Resonatorfrequenz.The invention relates to a compensation unit for tuning high-power resonators to compensate for changes in the resonator frequency.
Die Änderungen der Resonatorfrequenz werden durch Änderungen der Resonatortemperatur hervorgerufen. Zur Schaffung von ausreichender thermischer Stabilität sollen Ausgangsfilter für die Anwendung in Multiplexern über einen großen Temperaturbereich möglichst eine konstante Bandbreite und Mittenfrequenz aufweisen. In Betriebsumgebungen, in denen große Temperaturänderung zu erwarten ist, kann wegen der Änderungen der baulichen Abmessungen aufgrund der Wärmeausdehnung eine starke Drift der Mittenfrequenz und damit auch der elektrischen Eigenschaften auftreten. Die Resonatorfrequenz schwankt im umgekehrten Verhältnis zur Betriebstemperatur und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des zur Herstellung der Resonatoren verwendeten Materials.The changes in the resonator frequency are caused by changes in the resonator temperature. To provide sufficient thermal stability, output filters for use in multiplexers over a wide temperature range should have as much constant bandwidth and center frequency as possible. In operating environments in which a large temperature change is to be expected, due to the changes in the structural dimensions due to the thermal expansion, a strong drift of the center frequency and thus the electrical properties can occur. The resonator frequency varies in inverse proportion to the operating temperature and the linear expansion coefficient of the material used to make the resonators.
Bekannt sind Filterzüge aus Invar, dessen Temperaturausdehnung mit 1 ppm sehr niedrig ist, wobei die hohe Masse und die schlechten Wärmeleiteigenschaften von Invar jedoch nachteilig sind.Known are Invar filter trains whose thermal expansion is very low at 1 ppm, but the high mass and poor thermal conductivity of Invar are disadvantageous.
Wünschenswert ist es daher, einen Ausgangsfilter aus Aluminium aufzubauen. Dazu muss jedoch die Temperaturausdehnung von Aluminium von 23 ppm kompensiert werden. Wirkt die Kompensation nur auf die Resonatorlänge, muss zusätzlich die Ausdehnung des Resonatordurchmessers durch stärkere Längenänderung kompensiert werden.It is therefore desirable to build an output filter made of aluminum. For this, however, the temperature expansion of aluminum must be compensated by 23 ppm. If the compensation only affects the resonator length, the extension of the resonator diameter must also be compensated by a greater change in length.
Für Anwendungen im Ku-Band wurden bereits Lösungen für temperaturkompensierte Aluminium-Filter entwickelt, bei denen eine dünne Aluminium-Membran von einem Bimetall direkt oder über einen Hebelmechanismus verformt wird. Eine Kompensation kann auch durch die Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante oder die Ausdehnung eines Dielektrikums erfolgen.For applications in Ku-band solutions for temperature-compensated aluminum filters have already been developed in which a thin aluminum membrane is deformed by a bimetal directly or via a lever mechanism. Compensation can also be achieved by utilizing the temperature dependence of the dielectric constant or the expansion of a dielectric.
In der
Ebenfalls bekannt ist ein „Resonator mit Temperaturkompensierung“ (
Es wird ferner auf die Druckschriften
Die Erfindung und ihre VorteileThe invention and its advantages
Die Erfindung gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs hat dahingegen den Vorteil, dass die elektrische Entkopplung des Resonators von der Kompensationseinheit unabhängig davon erfolgt, wie die Temperaturkompensation, also die Längenänderung des Resonators über Temperatur, selbst realisiert wird. Wegen ihrer speziellen Eigenschaften ist die erfindungsgemäße Lösung bei Resonatoren für Leistungs-Ausgangsfilter, insbesondere bei TE01n-Resonatoren, vorteilhaft. Durch die Feldverteilung des TE01n Modes ist zwar bereits eine gewisse Grundentkopplung vorhanden, die nach oben gekoppelte Energie führt jedoch zu einem Anstieg der Verlustleistung und damit zur Erwärmung. Hier setzt die Erfindung an, die elektrische Entkopplung durch die beschriebenen Maßnahmen zu verbessern, insbesondere unter der Maßgabe einer guten thermischen Anbindung des Deckels.The invention according to the features of the main claim, however, has the advantage that the electrical decoupling of the resonator from the compensation unit is independent of how the temperature compensation, ie the change in length of the resonator over temperature, is realized itself. Because of its special properties, the solution according to the invention is advantageous for resonators for power output filters, in particular for TE01n resonators. Although there is already some ground decoupling due to the field distribution of the TE01n mode, the energy coupled upwards leads to an increase in the power loss and thus to heating. Here, the invention begins to improve the electrical decoupling by the measures described, in particular under the proviso of a good thermal connection of the lid.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht kein galvanischer Kontakt zwischen der Resonatorwand und dem Resonatordeckel. Im Unterschied zu den bekannten Lösungen eines geschlossenen Resonators mit einer dünnen Membran wird der Kompensationsteller über einen Stift axial frei beweglich an einer Kompensationseinheit aufgehängt. Diese Kompensationseinheit ermöglicht es, den Kompensationsteller abhängig von der Temperatur so zu verschieben, dass die temperaturbedingte Änderung der Resonanzfrequenz kompensiert wird. Der zur Kompensation nötige Hub kann beispielsweise durch ein Bimetall oder durch ein Material mit höherem Ausdehnungskoeffizienten erzeugt werden.According to an advantageous embodiment of the invention, there is no galvanic contact between the resonator and the resonator. In contrast to the known solutions of a closed resonator with a thin membrane of compensation plate is suspended by a pin axially freely movable on a compensation unit. This compensation unit makes it possible to shift the compensation plate depending on the temperature so that the temperature-induced change in the resonance frequency is compensated. The necessary stroke for compensation can be generated for example by a bimetal or by a material with a higher coefficient of expansion.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass durch die in axialer Richtung freie Aufhängung des Deckels die Kompensationseinheit nur geringe Kraft aufbringen muss, um die zur Kompensation erforderliche Verschiebung zu erreichen und die Kompensation erzeugt keine mechanische Verspannungen. Die Kompensation der Resonanzfrequenz wird durch die Bewegung des metallischen oder metallisierten Tellers in der Resonatorkammer erreicht.An advantage of the invention is that due to the free suspension of the lid in the axial direction, the compensation unit has to apply only small force in order to achieve the displacement required for compensation and the compensation does not generate any mechanical tension. The compensation of the resonance frequency is achieved by the movement of the metallic or metallized plate in the resonator chamber.
Der erfindungsgemäße nach oben hin teilweise offene Resonator muss elektrisch gegen die Kompensationseinheit entkoppelt werden. Dies erfolgt nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass der metallische Kompensationsteller über einen metallischen Stift mit der Kompensationseinheit verbunden ist. Der Kompensationsstift ist leichtgängig beweglich und hat keinen galvanischen Kontakt mit dem Resonatorgehäuse. Der Bereich oberhalb des Kompensationstellers wirkt damit wie eine Koaxialleitung mit dem Verbindungsstift als Innenleiter. Der Resonator wird also mit einer für koaxiale Strukturen geeigneten Entkopplungsstruktur mit Wellenwiderstandssprüngen des Innen- oder Außenleiters von der Kompensationseinheit entkoppelt.The inventive upwardly partially open resonator must be electrically decoupled against the compensation unit. This is done according to an advantageous embodiment of the invention in that the metallic compensation plate is connected via a metallic pin with the compensation unit. The compensation pin is easy to move and has no galvanic contact with the resonator housing. The area above the compensation actuator thus acts like a coaxial line with the connecting pin as an inner conductor. The resonator is thus decoupled from the compensation unit with a decoupling structure suitable for coaxial structures with characteristic impedance jumps of the inner or outer conductor.
Zudem muss für gute thermische Kopplung zwischen Kompensationsteller und Resonatorgehäuse gesorgt werden, um die am Kompensationsteller entstehende Verlustleistung abführen zu können. Erfindungsgemäß wird diese Verlustwärme über den metallischen Verbindungsstift abgeführt. Dabei wird der Durchmesser des Stifts so gewählt, dass die durch die Verlustleistung entstehende Wärme abgeführt wird. Sollte dies mit einem Stift nicht möglich sein, können mehrere Stifte verwendet werden.In addition, good thermal coupling between the compensation plate and the resonator housing has to be ensured in order to be able to dissipate the power dissipation that occurs at the compensation plate. According to the invention, this heat loss is dissipated via the metallic connecting pin. The diameter of the pin is chosen so that the heat generated by the power loss is dissipated. If this is not possible with a pen, you can use multiple pens.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der metallische oder metallisierte Kompensationsteller über einen dielektrischen Stift mit der Kompensationseinheit verbunden. Der Bereich oberhalb des Kompensationstellers wirkt damit wie ein dielektrisch gefüllter Hohlleiter. Zur Entkopplung des Resonators von der Kompensationseinheit wird der Hohlleiterquerschnitt oberhalb des Kompensationstellers so verkleinert, dass die Nutzfrequenz des Filters kleiner als die Cutoff-Frequenz des Hohlleiters ist. Bei der Berechnung der Cutoff-Frequenz ist die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Stifts zu berücksichtigen.According to another advantageous embodiment of the invention, the metallic or metallized compensation plate is connected via a dielectric pin to the compensation unit. The area above the compensation actuator thus acts like a dielectric filled waveguide. To decouple the resonator from the compensation unit of the waveguide cross-section is reduced above the compensation actuator so that the useful frequency of the filter is smaller than the cutoff frequency of the waveguide. When calculating the cutoff frequency, the dielectric constant of the dielectric pin has to be considered.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sorgt die sehr gute Wärmeleitfähigkeit des gewählten Dielektrikums für guten thermischen Kontakt. Dazu werden beispielsweise Aluminiumnitrid (ετ= 9,2) oder Berylliumoxid (ετ= 6,5 - 7,5) verwendet. Falls die thermische Ankopplung eines Stiftes nicht ausreicht, können mehrere Stifte unter Beachtung der Cutoff-Frequenz verwendet werden.According to an advantageous embodiment of the invention, the very good thermal conductivity of the selected dielectric ensures good thermal contact. For example, aluminum nitride (ε τ = 9.2) or beryllium oxide (ε τ = 6.5-7.5) are used for this purpose. If the thermal coupling of a pen is not sufficient, several pins can be used, taking into account the cutoff frequency.
Besonders bei sehr hohen Leistungen kann der Wärmefluss durch den Stift in das Bimetall in der Kompensationseinheit dazu führen, dass sich das Bimetall stärker erwärmt als das Filtergehäuse. Dies kann zu einer Überkompensation des betreffenden Resonators und damit zu einer Fehlanpassung der Filterfrequenz führen. Für diesen Fall ist vorgesehen die oben beschriebene gute thermische Ankopplung des Bimetalls zu modifizieren, derart, dass die am Kompensationsteller entstehende Verlustleistung nicht oder nicht nur direkt über den Stift und die Kompensationseinheit zum Filtergehäuse abgeführt wird, sondern über einen dazu parallelen Pfad. Die thermischen Leitfähigkeiten des Stifts und des parallelen Pfads werden so gewählt, dass die das Bimetall beaufschlagende wirksame Temperatur beim Betrieb mit Leistung der Temperatur des Filtergehäuses entspricht. Somit ist gewährleistet, dass die Resonanzfrequenz des Filters sowohl beim Betrieb mit Leistung als auch beim Betrieb ohne Leistung wirkungsvoll kompensiert wird.Especially at very high power, the heat flow through the pin into the bimetal in the compensation unit can cause the bimetal to heat up more than the filter housing. This can lead to overcompensation of the relevant resonator and thus to a mismatch of the filter frequency. For this case, it is provided to modify the above-described good thermal coupling of the bimetal, such that the power loss arising at the compensation actuator is not or not only directly discharged via the pin and the compensation unit to the filter housing, but via a parallel path. The thermal conductivities of the pin and the parallel path are selected so that the effective temperature applied to the bimetal during operation corresponds to the temperature of the filter housing. This ensures that the resonant frequency of the filter is effectively compensated for both power and non-powered operation.
Da der Kompensationsteller axial frei beweglich sein muss, muss bei der Realisierung des parallelen Pfads darauf geachtet werden, dass dieser die Bewegung des Kompensationstellers nicht einschränkt. Außerdem muss dessen Wärmeleitfähigkeit ausreichend hoch sein, um zusammen mit dem Pfad über den Stift und die Kompensationseinheit die im Kompensationsteller entstehende Verlustleistung thermisch abzuführen. Zur Realisierung des parallelen Pfads kommen beispielsweise hochflexible Kupferbänder oder Kupfergeflechte in Frage. Diese müssen am Resonatorgehäuse und am Kompensationsteller gut wärmeleitend befestigt werden.Since the compensation actuator must be axially freely movable, care must be taken in the realization of the parallel path that this does not restrict the movement of the compensation actuator. In addition, its thermal conductivity must be sufficiently high to thermally dissipate the power dissipated in the compensation actuator together with the path across the pin and the compensation unit. For the realization of the parallel path, for example, highly flexible copper strips or copper braids in question. These must be attached to the resonator housing and the compensation plate with good thermal conductivity.
Oben beschriebene elektrische Entkopplung des Resonators von der Kompensationseinheit muss auch bei Abführung der Verlustleistung über einen parallelen Pfad gewährleistet sein.The above-described electrical decoupling of the resonator from the compensation unit must be ensured even when dissipating the power loss over a parallel path.
Alternativ zu der vorbeschriebenen Wärmeableitung mittels Kupferbändern oder -geflecht kann auch eine hochflexible metallische Faltenmembran nach
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Filters besitzt dieser sehr gute thermische Eigenschaften, hat eine geringe Masse und ist gut zu fertigen. Durch die erfindungsgemäße Art der Aufhängung muss die Kompensationseinheit deutlich weniger Kraft aufbringen, um die zur Kompensation erforderliche Resonatorverkürzung zu erzielen. Somit wird eine Ausgestaltung des kompensierten Filters erreicht, die der eines Filters mit geschlossenen Resonatoren aus temperaturinvariantem und gut thermisch leitfähigem Material entspricht, jedoch demgegenüber die oben genannten Vorteile aufweist.Due to the inventive design of the filter this has very good thermal properties, has a low mass and is easy to manufacture. Due to the type of suspension according to the invention, the compensation unit must apply significantly less force in order to achieve the Resonatorverkürzung required for compensation. Thus, an embodiment of the compensated filter is achieved, that of a filter with closed Resonators of temperaturinvariantem and good thermally conductive material corresponds, however, in contrast, has the advantages mentioned above.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.Further advantages and advantageous embodiments of the invention are the following description, the drawings and claims removed.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
-
1 zeigt einen Resonator mit Koax-Entkopplung; -
2 stellt einen Resonator mit Koax-Entkopplung und mehrere Durchführungen dar; -
3 zeigt einen Resonator mit dielektrischer Entkopplung; -
4 zeigt einen Resonator mit dielektrischer Entkopplung und mehreren Durchführungen; -
5 zeigt einen alternativen Pfad zur Temperaturkompensation; -
6 zeigt dieAnordnung von 5 mit mehreren metallischen Stiften; -
7 zeigt eine Anordnung mit einem dielektrischen Stift; -
8 zeigt eine Anordnung mit mehreren dielektrischen Stift; -
9 zeigt eine weitere Anordnung eines thermischen Pfads nach5 .
-
1 shows a resonator with coax decoupling; -
2 illustrates a resonator with coax decoupling and multiple feedthroughs; -
3 shows a resonator with dielectric decoupling; -
4 shows a resonator with dielectric decoupling and multiple feedthroughs; -
5 shows an alternative path for temperature compensation; -
6 shows the arrangement of5 with several metallic pins; -
7 shows an arrangement with a dielectric pin; -
8th shows an arrangement with a plurality of dielectric pin; -
9 shows a further arrangement of athermal path 5 ,
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In
In
Die in
In
Besteht die Faltenmembran
Der Boden des Innenteils
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and the drawings illustrated features may be essential to the invention both individually and in any combination.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kompensationstellercompensation plate
- 22
- metallischer Stiftmetallic pin
- 33
- Kompensationseinheitcompensation unit
- 44
- Resonatorresonator
- 55
- Entkopplungsstruktur (koaxial)Decoupling structure (coaxial)
- 5a5a
- Kupferbänder oder KupfergeflechtCopper bands or copper braid
- 66
- dielektrischer Stiftdielectric pin
- 77
- dielektrische Entkopplungsstrukturdielectric decoupling structure
- 88th
- Faltenmembranfold membrane
- 99
- topfförmiges Innenteilcup-shaped inner part
- 1010
- Membranabschnittmembrane portion
- 1111
- Rand des InnenteilsEdge of the inner part
- 1212
- äußerer Rand der Faltenmembranouter edge of the pleated membrane
- 1313
- Kragencollar
- 1414
- Öffnungopening
- 1515
- GlimmerunterlegscheibeGlimmerunterlegscheibe
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