DE1188151B

DE1188151B - Temperature compensated resonator for electrical high frequency oscillations

Info

Publication number: DE1188151B
Application number: DES72861A
Authority: DE
Inventors: Ernst Welz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-06-08
Filing date: 1959-06-08
Publication date: 1965-03-04

Description

Temperaturkompensierter Resonator für elektrische Hochfrequenzschwingungen Die Erfindung bezieht sich auf einen temperaturkompensierten Resonator in Koaxialbauweise, vorzugsweise abstimmbarer Koaxialleitungsresonator, für elektrische Hochfrequenzschwingungen.Temperature compensated resonator for electrical high frequency oscillations The invention relates to a temperature-compensated resonator in coaxial design, preferably tunable coaxial line resonator, for electrical high-frequency oscillations.

Resonatoren dieser Art finden in der Hochfrequenztechnik eine verbreitete Anwendung. Die Resonanzfrequenz eines solchen Resonators ist durch die elektrisch wirksamen Abmessungen seines Schwingraumes, insbesondere durch die elektrisch wirksame Länge seiner Schwingachse bestimmt. Diese Tatsache läßt sich zum Abgleich oder zur Abstimmung der Resonatoren in einem größeren Frequenzbereich ausnutzen. Die Veränderung der elektrisch wirksamen Abmessungen des Schwingraumes kann beispielsweise durch Abgleichschrauben erfolgen, die von außen durch die Resonatorwandung hindurch mehr oder weniger in den Schwingraum eingeführt werden. Zum Durchstimmen des Resonators in einem größeren Frequenzbereich haben sich Kurzschlußschieber als besonders geeignet erwiesen.Resonators of this type are widely used in high-frequency technology Use. The resonance frequency of such a resonator is due to the electrical effective dimensions of its oscillation space, in particular by the electrically effective Determines the length of its swing axis. This fact can be used for comparison or for Use the tuning of the resonators in a larger frequency range. The change the electrically effective dimensions of the oscillation chamber can be, for example, by Adjustment screws take place, which more from the outside through the resonator wall or less are introduced into the vibration space. For tuning the resonator In a larger frequency range, short-circuit slide devices have proven to be particularly suitable proven.

Infolge des Ausdehnungskoeffizienten des das Resonatorgehäuse bildenden Werkstoffes sind die geometrischen Abmessungen und damit die Resonanzfrequenz des Resonators temperaturabhängig. Der Einfiuß der Temperatur auf die Resonanzfrequenz ist im allgemeinen außerordentlich störend, da er einen genauen Abgleich bzw. eine genaue Einstellung nicht zuläßt. Es ist bekannt, zur Temperaturkompensation von Resonatoren das Gehäuse aus einem Spezialstahl mit vernachlässigbarem Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Invarstahl, herzustellen. Derartige Spezialstähle sind jedoch sehr teuer sowie schwer bearbeitbar und stellen daher die Wirtschaftlichkeit derartiger Resonatoren in Frage.As a result of the expansion coefficient of the resonator housing forming Material are the geometric dimensions and thus the resonance frequency of the Resonator temperature dependent. The Influence of Temperature on the Resonance Frequency is generally extremely annoying because it allows for an exact adjustment or a exact setting does not allow. It is known for temperature compensation of Resonators the housing made of a special steel with negligible expansion coefficient, for example Invar steel. However, such special steels are very expensive and difficult to machine and therefore make the economy of such a thing Resonators in question.

Sofern der Resonator in der üblichen Bauweise mittels eines Kurzschlußschiebers in einem größeren Frequenzbereich durchstimmbar ist, kann die Temperaturkompensation in gewissen Grenzen mit wesentlich einfacheren Mitteln durchgeführt werden. Man stellt zu diesem Zweck die Führungsstangen des Kurzschlußschiebers aus einem Material mit wesentlich höherem Ausdehnungskoeffizienten als dem des Materials des Resonatorgehäuses her. Dadurch wächst der Kurzschlußschieber bei zunehmender Temperatur in den Schwingraum hinein und führt damit einen Ausgleich des sich mit zunehmender Temperatur ausdehnenden Resonatorgehäuses herbei. Im allgemeinen läßt sich eine wirksame Kompensation nur bei verhältnismäßig großen Längen der Führungsstangen des Kurzschlußschiebers erreichen. Dies bedeutet eine unerwünschte Vergrößerung der Baulänge des Koaxialleitungsresonators. Lange Führungsstangen vermindern auch die Stabilität der Anordnung gegen Schüttel- oder Stoßbeanspruchungen und bedingen ferner einen erhöhten Einfluß der Alterungserscheinungen des Durchstimmorgans auf die Resonatorfrequenz.If the resonator is of the usual construction by means of a short-circuit slide is tunable in a larger frequency range, the temperature compensation can can be carried out within certain limits with much simpler means. Man provides for this purpose the guide rods of the short-circuit slide made of one material with a significantly higher coefficient of expansion than that of the material of the resonator housing here. As a result, the short-circuit slide grows into the oscillation chamber as the temperature increases into it and thus compensates for that which expands with increasing temperature Resonator housing. In general, an effective compensation can only be achieve with relatively large lengths of the guide rods of the short-circuit slide. This means an undesirable increase in the overall length of the coaxial line resonator. Long guide rods also reduce the stability of the arrangement against shaking or impact loads and also cause an increased influence of aging phenomena of the tuning organ to the resonator frequency.

Sofern wenigstens der Außenleiter des Resonators in zwei Teile derart unterteilt wird, daß sich die beiden Teile in Abhängigkeit der Wärmeausdehnung des Werkstoffes, aus dem sie hergestellt sind, in Achsrichtung gegeneinander verschieben können, läßt sich ein solcher Resonator auch dann mit praktisch temperaturunabhängigen elektrischen Eigenschaften gestalten; sofern nur das die Länge seiner Schwingachse bestimmende Bauelement aus einem Material mit geringer Wärmeausdehnung besteht. Bei einer bekannten, von diesem Lösungsgedanken Gebrauch machenden Ausführungsform besteht der Resonator aus zwei zylindertopfförmigen Halbschalen mit rohrförmigem Innenleiter. Diese Halbschalen und die ihnen zugehörigen rohrförmigen Innenleiterteile sind hierbei an ihrem offenen Ende derart ausgebildet, daß sie sich mit diesen Enden im zusammengebauten Zustand frei bewegbar überlappen. Das die Temperaturkompensation herbeiführende Bauteil selbst ist eine Schraube aus Invarstahl, die durch den rohrförmigen Innenleiter des Resonators hindurchführt und an beiden Enden mit jeweils einer der beiden Halbschalen fest verbunden ist. Auf diese Weise ist erreicht, daß die zeitliche Konstanz der Länge des Resonators bzw. die Länge seiner Schwingachse lediglich durch die Wärmeausdehnung des Invarstahls, die bekanntlich vernachlässigbar klein ist, bestimmt wird. Abgesehen davon, daß der konstruktive Aufwand eines derartigen Resonators relativ kompliziert ist, läßt sich hier sein Resonanzraum nur schwer gegen den Außenraum abdichten. In zahlreichen Anwendungsfällen, beispielsweise wenn bereits eine geringfügige Abstrahlung der Hochfrequenzenergie im Resonator nach außen zu störenden Kopplungen mit anderen Geräteteilen führen kann, oder wenn das Eindringen von Staub oder Feuchtigkeit in das Resonatorinnere seine elektrischen Eigenschaften in unzulässiger Weise beeinträchtigt, muß eine gute einwandfreie Abdichtung gewährleistet sein.Provided at least the outer conductor of the resonator in two parts in such a way is divided so that the two parts depending on the thermal expansion of the The material from which they are made move against each other in the axial direction can, such a resonator can then also be practically temperature-independent design electrical properties; provided that only the length of its oscillation axis determining component consists of a material with low thermal expansion. In a known embodiment which makes use of this solution concept the resonator consists of two cylinder-pot-shaped half-shells with a tubular one Inner conductor. These half-shells and their associated tubular inner conductor parts are here formed at their open end in such a way that they are connected to these ends overlap freely movable when assembled. That the temperature compensation The inducing component itself is a screw made of Invar steel, which is threaded through the tubular Inner conductor of the resonator leads through and at both ends with one of the is firmly connected to both half-shells. In this way it is achieved that the temporal Constancy of the length of the resonator or the length of its oscillation axis only through the thermal expansion of the Invar steel, which is known to be negligibly small, is determined. Apart from the fact that the structural complexity of such a resonator relative is complicated, its resonance space is difficult to find here seal against the outside area. In numerous use cases, for example when a slight radiation of the high frequency energy in the resonator can lead to interfering external couplings with other parts of the device, or if the Penetration of dust or moisture into the interior of the resonator is electrical Properties adversely affected in an impermissible manner, a good perfect seal must to be guaranteed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen temperaturkompensierten Resonator, bei dem lediglich das die Länge seiner Schwingachse bestimmende Bauelement aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeausdehnung besteht, eine einfache konstruktive Lösung anzugeben, die unter anderem die hinsichtlich der Trennfuge im Außenleiter auftretenden geschilderten Schwierigkeiten beseitigt.The invention is based on the object for a temperature-compensated Resonator in which only the component that determines the length of its oscillation axis consists of a material with low thermal expansion, a simple constructive Specify the solution that includes, among other things, the parting line in the outer conductor occurring difficulties eliminated.

Ausgehend von einem temperaturkompensierten Resonator in Koaxialbauweise, vorzugsweise abstimmbarer Koaxialleitungsresonator, für elektrische Hochfrequenzschwingungen, bei dem nur der Innenleiter aus Material mit geringer Wärmeausdehnung besteht und die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Innen- und Außenleiter von einer Membran aufgenommen wird, wird gemäß der Erfindung die Aufgabe dadurch gelöst, daß die mit ihrem äußeren Rand mit dem Außenleiter fest verbundene, aus leitendem Material bestehende Membran auf der Innenseite der einen, den Resonator bis auf eine schmale Ringfläche abdeckenden Stirnwand aufliegt und lediglich im Bereich der Stirnfläche des Innenleiters zwischen dem Innenleiter und der Stirnwand gehaltert ist.Based on a temperature-compensated resonator in coaxial design, preferably tunable coaxial line resonator, for electrical high-frequency oscillations, in which only the inner conductor consists of material with low thermal expansion and the different thermal expansion between the inner and outer conductors of a membrane is recorded, the object is achieved according to the invention in that the with its outer edge firmly connected to the outer conductor and made of conductive material Membrane on the inside of one, the resonator except for a narrow ring surface covering end wall rests and only in the area of the end face of the inner conductor is held between the inner conductor and the end wall.

Es sind an sich Hohlraumresonatoren bekannt, bei denen eine Wand durch eine elastische Membran gebildet wird. Hierbei ist die elastische Membran von außerhalb des Resonatorgehäuses mit einem senkrecht zu ihr angeordneten stabförmigen Teil einseitig verbunden. Außer der Tatsache, daß die Membran hier keine Ringmembran ist, und das sie beeinflussende stabförmige Teil von außerhalb des Resonators an der Membran angreift, wozu es eine gesonderte Halterung benötigt, unterscheidet sich diese bekannte Anordnung vom Erfindungsgegenstand durch eine geradezu gegensätzliche Funktionsweise. Hier hebt nämlich das stabförmige Teil bei zunehmender Temperatur die Membran an, d. h., es führt eine zusätzliche Vergrößerung des Resonanzraumes des Resonators herbei. Die aus der Membran, dem stabförmigen Teil und dessen Halterung bestehende Einrichtung zur Temperaturkompensation würde demnach beim Erfindungsgegenstand also gerade nicht dem mit der Temperatur zunehmenden Volumen des Resonanzraums entgegenwirken, wie das für die Temperaturkompensation bei einem Koaxialresonator erforderlich ist.There are known cavity resonators in which a wall through an elastic membrane is formed. Here the elastic membrane is from outside of the resonator housing with a rod-shaped part arranged perpendicular to it connected on one side. Except for the fact that the membrane is not an annular membrane here is, and the rod-shaped part influencing it from outside the resonator the membrane attacks, for which it requires a separate holder, differentiates This known arrangement differs from the subject matter of the invention by an almost contradicting one Functionality. Here the rod-shaped part lifts with increasing temperature the membrane on, d. That is, it leads to an additional enlargement of the resonance space of the resonator. The one from the membrane, the rod-shaped part and its holder existing device for temperature compensation would therefore be included in the subject matter of the invention so precisely do not counteract the volume of the resonance chamber, which increases with the temperature, as is required for temperature compensation in a coaxial resonator.

Durch die spezielle Ausbildung der Stirnwand, an deren Innenseite die Membran anliegt, wird beim Erfindungsgegenstand in vorteilhafter Weise erreicht, daß einerseits der durch die Länge des Innenleiters gegebene Schwingraum des Resonators sich mit zunehmender Temperatur praktisch kaum vergrößert und andererseits die bei der Relativbewegung zwischen Innen- und Außenleiter in der von der Stirnwand nicht abgedeckten Membranringfläche auftretenden radialen Kräfte von der Membran in radialer Richtung bis zum Innenleiter hin aufgenommen werden können. Durch diesen Umstand werden auch Verformungen der Membran, und zwar senkrecht zur Schwingachse des Resonators in Abhängigkeit von der Temperatur weitgehend unterbunden.Due to the special design of the front wall on the inside the membrane is applied, is achieved in an advantageous manner in the subject matter of the invention, that on the one hand the oscillation space of the resonator given by the length of the inner conductor practically hardly increases with increasing temperature and, on the other hand, the at the relative movement between the inner and outer conductors in the front wall does not Covered membrane ring surface occurring radial forces from the membrane in radial Direction up to the inner conductor can be recorded. By this circumstance also deformations of the membrane, namely perpendicular to the oscillation axis of the resonator largely prevented depending on the temperature.

An Hand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.Using an exemplary embodiment that is shown in the drawing is, the invention will be explained in more detail below.

Die Figur zeigt einen durchstimmbaren Koaxialleitungsresonator im Längsschnitt. Der Resonator besteht aus einem Resonatorgehäuse 14 mit einem zentrisch zu ihm angeordneten Innenleiter 15. Sein Abstimmorgan besteht aus einem kontaktlosen Kurzschlußkolben 16, der in axialer Richtung im Resonatorgehäuse 14 bewegbar angeordnet ist. Seine Betätigung von außerhalb des Resonatorgehäuses erfolgt über zwei Führungsstangen 17, die durch Führungsbuchsen 18 in der das Resonatorgehäuse auf selten des Kurzschlußschieberantriebs abschließenden Wand 19 geführt sind. Der Antrieb des Kurzschlußschiebers erfolgt über eine Spindel 20, die mit dem die Führungsstangen 17 verbindenden Joch 21 zusammengebaut ist.The figure shows a tunable coaxial line resonator in the Longitudinal section. The resonator consists of a resonator housing 14 with a centric to him arranged inner conductor 15. Its tuning element consists of a contactless one Short-circuit piston 16 which is arranged to be movable in the axial direction in the resonator housing 14 is. It is operated from outside the resonator housing via two guide rods 17, which by guide bushes 18 in the resonator housing on rare of the short-circuit slide drive final wall 19 are performed. The short-circuit slide is driven Via a spindle 20 which is assembled with the yoke 21 connecting the guide rods 17 is.

Auf der der Abschlußwand 19 gegenüberliegenden Seite ist das Resonatorgehäuse 14 mit einer elastischen Membran 22 abgeschlossen, deren Rand zwischen den einander benachbarten Stirnflächen des Resonatorgehäuses 14 und des Abschlußringes 23 gehalten ist. Der Innenleiter 15 ist sowohl auf selten der Abschlußwand 19 als auch auf selten der Membran 22 mit dem Resonatorgehäuse fest verbunden. Auf selten der Membran 22 geschieht dies dadurch, daß auf der dem Innenleiter 15 abgewandten Seite der elastischen Membran 22 eine die eigentliche Stirnwand darstellende Ringscheibe 24 vorgesehen ist, die mit einer durch die Membran 22 hindurchgehenden, im Innenleiter 15 geführten Schraube 25, mit dem Innenleiter 15 verschraubt ist. Der Durchmesser der Ringscheibe 24 ist so gewählt, daß sie die Membran 22 bis auf eine schmale Ringfläche 26 abdeckt.On the side opposite the end wall 19, the resonator housing 14 is closed with an elastic membrane 22, the edge of which is held between the adjacent end faces of the resonator housing 14 and the end ring 23 . The inner conductor 15 is fixedly connected to the resonator housing both on seldom the end wall 19 and on seldom the membrane 22. In seldom the membrane 22 this happens in that on the side of the elastic membrane 22 facing away from the inner conductor 15 an annular disk 24 is provided which represents the actual end wall and which is connected to the inner conductor with a screw 25 passing through the membrane 22 and guided in the inner conductor 15 15 is screwed. The diameter of the annular disk 24 is selected so that it covers the membrane 22 except for a narrow annular surface 26.

Der Innenleiter 15 besteht aus einem Spezialstahl mit vernachlässigbarem Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Invarstahl, so daß bei einer Temperaturerhöhung und der damit verbundenen Ausdehnung des Resonatorgehäuses 14 der Innenleiter 15 die elastische Membran 22 einschließlich der Ringscheibe 24 im Bereich der Stirnfläche der Ringscheibe 24 festhält. Zur Verdeutlichung dieses Vorganges ist in der Figur die bezüglich der eingezeichneten Symmetrielinie untere Hälfte des Resonatorgehäuses für den Fall normaler Raumtemperatur und die bezüglich der Symmetrielinie obere Hälfte des Resonators für den Fall hoher übertemperatUr dargestellt. Man sieht, daß die Ringfläche 26 bei normaler Temperatur keine Verformung aufweist, während sie bei Übertemperatur entsprechend der Verlängerung des Resonatorgehäuses 14 gegen die Ringscheibe 24 zu abgebogen ist. Trotz Übertemperatur bleibt also die Länge des Resonatorraums in Achsrichtung nahezu konstant, was einer Kompensation des Temperatureinflusses auf die Resonanzfrequenz gleichkommt. Der noch verbleibende kleine Rest an Temperaturabhängigkeit läßt sich leicht mittels den einleitend geschilderten Kompensationsmöglichkeiten - Herstellung der Führungsstangen 17 des Kurzschlußschiebers aus einem Material mit hohem Ausdehnungskoeffizienten - leicht beseitigen, ohne daß an die Gesamtlänge des Durchstimmorgans, auf Kosten einer gedrängten Bauweise, Zugeständnisse gemacht werden müssen.The inner conductor 15 consists of a special steel with a negligible expansion coefficient, for example Invar steel, so that in the event of a temperature increase and the associated expansion of the resonator housing 14, the inner conductor 15 holds the elastic membrane 22 including the annular disk 24 in the area of the end face of the annular disk 24. To illustrate this process, the figure shows the lower half of the resonator housing with respect to the drawn line of symmetry for the case of normal room temperature and the upper half of the resonator with respect to the line of symmetry for the case of high excess temperature. It can be seen that the annular surface 26 has no deformation at normal temperature, while at excess temperature it is bent towards the annular disk 24 in accordance with the extension of the resonator housing 14. Despite the excess temperature, the length of the resonator space remains almost constant in the axial direction, which is equivalent to a compensation of the temperature influence on the resonance frequency. The small remainder of the temperature dependency can easily be eliminated by means of the compensation options described in the introduction - production of the guide rods 17 of the short-circuit slide from a material with a high coefficient of expansion - without having to make concessions to the overall length of the tuning element at the expense of a compact design .

Claims

Claim: temperature-compensated resonator in coaxial design, preferably tunable coaxial line resonator, for electrical high-frequency oscillations, in which only the inner conductor consists of material with low thermal expansion and the different thermal expansion between the inner and outer conductors from one point conductive material existing membrane is added, d u r c h e n n -z e i c h n e t that the outer edge is firmly connected to the outer conductor Membrane on the inside of one, the resonator except for a narrow ring surface covering end wall rests and only in the area of the end face of the inner conductor is held between the inner conductor and the end wall. Considered publications: U.S. Patent Nos. 2,409,321, 2,553,811; Office Patent No. 18 013 for inventions and patents in the Soviet zone of occupation in Germany.