DE19841078C1 - Abstimmbarer Hohlraumresonator - Google Patents

Abstract

Ein abstimmbarer Hohlraumresonator (1) weist einen einen Hohlraum (5) definierenden Resonatorkörper (2, 3, 4) und eine in ihrer Lage gegenüber dem Resonatorkörper (2, 3, 4) veränderliche und dabei die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators (1) beeinflussende Abstimmscheibe (28) auf. Die Lage der Abstimmscheibe (28) kann mittels einer Stelleinrichtung (22, 26) verändert werden. Eine Übersetzungsmechanik (18, 20) ist bewegungsmäßig mit der Stelleinrichtung (22, 26) und der Abstimmscheibe (28) gekoppelt und übersetzt einen von der Stelleinrichtung (22, 26) erzeugten Linearhub (DELTAx¶1¶) unter einem vorgegebenem Verhältnis (U) in einen auf die Abstimmscheibe (28) wirkenden, reduzierten Linearhub (DELTAx¶2¶).

Description

Die Erfindung betrifft einen abstimmbaren Hohlraumresona­ tor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen abstimmbaren Mikrowellenoszillator, der einen derartigen Hohlraumresonator verwendet.

Abstimmbare Hohlraumresonatoren kommen u. a. in Mikrowel­ lenoszillatoren zum Einsatz, die zur Erzeugung von Trä­ gersignalen in der Mikrowellenkommunikation verwendet werden. Derartige Oszillatoren bestehen im wesentlichen aus einem Mikrowellenverstärker, der in Rückkopplung be­ trieben wird, und einem Hohlraumresonator hoher Güte, der sich in dem Rückkopplungszweig des Oszillators befindet und das in dem Verstärker generierte Phasenrauschen fil­ tert. Außerdem verwendet ein solcher Mikrowellenoszilla­ tor einen mechanischen oder elektrischen Phasenschieber zur Einstellung der Phasenbedingung in dem Rückkopplungs­ zweig und einen Hochfrequenzkoppler zur Auskopplung des Nutzsignals (Trägersignals).

Die Einstellung der Oszillatorfrequenz erfolgt zweistu­ fig: Zur Grobeinstellung wird zunächst die Resonanzfre­ quenz des abstimmbaren Hohlraumresonators in geeigneter Weise verändert. Dies erfolgt mittels der Stelleinrich­ tung, durch die die Lage der Abstimmscheibe gegenüber dem Resonatorkörper verstellt wird. Zur Feineinstellung der Oszillatorfrequenz wird dann mittels des Phasenschiebers durch ein Verstellen der Phase im Rückkopplungszweig des Oszillators die Oszillatorfrequenz innerhalb der Reso­ nanzbreite des abgestimmten Hohlraumresonators gezielt verschoben.

Eine Schwierigkeit bei einer solchen zweistufigen Abstim­ mung eines Oszillators resultiert daraus, daß der durch die Phasenverstellung erreichbare maximale Frequenzhub relativ klein ist und bei Resonatorgüten oberhalb 10⁴ (d. h. Q < 10⁴) beispielsweise nur etwa 100 kHz beträgt. Eine vollständige Durchstimmbarkeit des Mikrowellenoszil­ lators kann jedoch nur dann erreicht werden, wenn die bei der Resonanzfrequenzabstimmung (d. h. der Abstimmung des Hohlraumresonators) erreichbare minimale Frequenzänderung Δω_R(min) kleiner als der angesprochene maximale Frequenz­ hub bei Variation der Phase im Rückkopplungszweig des Os­ zillators ist. Um diese Forderung zu erfüllen, werden Hohlraumresonatoren mit einer extrem hohen Abstimmgenau­ igkeit benötigt.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß sich mit zunehmender Güte Q eines Hohlraumresonators die Anforderungen an die Einstellgenauigkeit des Abstimmechanismus zur Erzielung einer vorgegebenen Abstimmgenauigkeit erhöhen.

In der Praxis treten daher häufig Schwierigkeiten hin­ sichtlich der konstruktiven Auslegung des Abstimmechanis­ mus auf, und es hat sich gezeigt, daß die gewünschten ho­ hen Einstellgenauigkeiten in Verbindung mit den erforder­ lichen Vibrationsfestigkeiten und einer guten Reprodu­ zierbarkeit der Abstimmeinstellung nicht immer erreicht werden.

In der Veröffentlichung "Temperature compensated high-Q dielectric resonators for long term stable low phase noi­ se oscillators", Proceedings of the 1997 Frequency Con­ trol Symposium, I. S. Ghosh et al., Seiten 1024-1029 ist ein abstimmbarer Hohlraumresonator nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 beschrieben. Dieser Hohlraumresona­ tor erfüllt bei einer Güte Q ≈ 10⁵ die für eine kontinu­ ierliche Durchstimmbarkeit eines Mikrowellenoszillators erforderlichen Anforderungen an die Abstimmgenauigkeit.

Aus der DE 16 87 622 ist eine Vorrichtung zur Abstand­ seinstellung zwischen einem feststehenden und einem be­ wegbaren Wandungsteil eines Hohlraumresonators bekannt, wobei an dem feststehenden Wandungsteil ein Hebel drehbar angeordnet ist, der über ein Lager mit dem bewegbaren Wandungsteil in Eingriff steht. Über einen konusförmig auslaufenden Abschnitt wird der Hebel verstellt. Hier­ durch wird die Wand des Hohlraumresonators bewegt, um die Frequenz des Resonators zu verstimmen. Der lineare Hub, welcher der Hebel an seinem freien Ende durchläuft, wird an der Wand des Resonators in einen reduzierten Linearhub übersetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlraum­ resonator zu schaffen, der eine hohe Einstellgenauigkeit in bezug auf seine Resonanzfrequenz aufweist. Insbesonde­ re soll ein Hohlraumresonator bereitgestellt werden, der eine hohe Güte aufweist und dennoch beim Einsatz in einem Mikrowellenoszillator eine vollständige Durchstimmbarkeit desselben ermöglicht. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, einen vollständig durchstimmbaren Mikrowellenoszilla­ tor mit einem Hohlraumresonator hoher Güte zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 11 vorgesehen.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Übersetzungsmecha­ nik wird erreicht, daß bei einer Betätigung der Stellein­ richtung nicht der von der Stelleinrichtung erzeugte Li­ nearhub, sondern ein gegenüber diesem reduzierter Linear­ hub die Abstimmscheibe verstellt. Dies hat zur Folge, daß die mit der Stelleinrichtung erreichbare Minimalhub­ änderung in eine noch kleinere, auf die Abstimmscheibe wirkende Minimalhubänderung transformiert wird. Im Ergeb­ nis wird die Einstellgenauigkeit der Abstimmscheibe ver­ glichen mit der Einstellgenauigkeit der Stelleinrichtung um das vorgegebene Verhältnis der Übersetzungsmechanik erhöht. Dabei wird das vorgegebene Verhältnis (d. h. das Übersetzungsverhältnis) durch die Federkonstanten der beiden Federelemente bestimmt. Die Verwendung zweier ge­ geneinander drückender Federelemente weist den Vorteil auf, daß die Übersetzungsmechanik kontinuierlich und in hohem Maße frei von Bewegungsspiel arbeitet.

In diesem Fall kennzeichnet sich eine besonders bevorzug­ te Ausführungsvariante dadurch, daß das erste Federele­ ment aus wenigstens einer Tellerfeder gebildet ist und das zweite Federelement von einer umfangsseitig fixier­ ten, von der Tellerfeder zentral beaufschlagten Platten­ feder realisiert wird. Eine solche Federmechanik läßt sich ausreichend starr auslegen, um gegenüber äußeren Er­ schütterungen bzw. Vibrationen unempfindlich zu sein. Ferner können geeignete Teller- und Plattenfedern mit den erforderlichen hohen Federkonstanten problemlos herge­ stellt werden.

Die Stelleinrichtung besteht vorzugsweise aus einem ins­ besondere manuell betätigbaren, mechanischen Stellglied und einem dem mechanischen Stellglied nachgeschalteten ersten elektromechanischen Stellglied, insbesondere er­ sten Piezoelement. Das erste elektromechanische Stell­ glied ermöglicht eine elektrische Ansteuerung der Stell­ einrichtung, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Stelleinrichtung in einem Regelschleifenbetrieb zur Einstellung der Resonanzfrequenz ω_R betrieben wird. Das elektromechanische Stellglied kann beispielsweise auch zur Kompensation von temperaturbedingten Drifts einge­ setzt werden und kann darüber hinaus in einem begrenzten Hubbereich eine Betätigung des mechanischen Stellglieds überflüssig machen.

Vorzugsweise besteht die Abstimmscheibe aus einem dielek­ trischen Material, insbesondere Saphir. Eine derartige Ab­ stimmscheibe weist vor allem bei tiefen Temperaturen sehr geringe dielektrische Verluste auf, wodurch sich eine hohe Güte Q ≈ 10⁷ des Hohlraumresonators (definiert als das Pro­ dukt der Resonanzfrequenz ω_R mit dem Quotienten aus der in dem Resonator gespeicherten Feldenergie und der in dem Re­ sonator auftretenden Verlustleistung) erzielen läßt.

Grundsätzlich kann es sich bei der erfindungsgemäßen, la­ geveränderlichen Abstimmscheibe auch um ein Wandelement (beispielsweise Deckenwand) des Hohlraumresonators han­ deln. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung kennzeichnet sich jedoch dadurch, daß in dem Re­ sonatorkörper ein dielektrischer Körper vorgesehen ist, und daß die Abstimmscheibe innerhalb des Resonatorkörpers unter einem geringen Abstand d zu einer ebenen Oberfläche des dielektrischen Körpers angeordnet ist. Bei einer der­ artigen Bauweise ist ein Großteil der Feldenergie in dem dielektrischen Körper gespeichert, wobei mittels einer Lageveränderung der Abstimmscheibe eine feinfühlige Ände­ rung der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators erreich­ bar ist.

Bei Verwendung eines dielektrischen Körpers besteht eine weitere konstruktiv vorteilhafte Realisierungsvariante darin, den dielektrischen Körper auf einem mittels eines zweiten elektromechanischen Stellglieds, insbesondere zweiten Piezoelements in seiner Höhe veränderlichen Hub­ boden anzubringen. Auf diese Weise läßt sich ohne großen Aufwand ein gewünschter Nominal- oder Ausgangsabstand zwischen der Abstimmscheibe und der ebenen Oberfläche des dielektrischen Körpers vorgeben, welcher dann durch die erfindungsgemäße Stelleinrichtung mit nachgeschalteter Übersetzungsmechanik in geeigneter Weise feinjustiert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1: eine schematische Schnittdarstellung eines er­ findungsgemäßen Hohlraumresonators;

Fig. 2: ein Blockschaltbild eines den in Fig. 1 gezeig­ ten Hohlraumresonator verwendenden Mikrowel­ lenoszillators; und

Fig. 3 ein Schaubild, in dem die Änderung der Oszilla­ torfrequenz Δf als Funktion der Lageänderung Δx₂ der Abstimmscheibe dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt einen Hohlraumresonator 1 in Zylinderbauwei­ se mit einer Resonanzfrequenz ω_R im GHz-Bereich. Der Hohlraumresonator 1 weist eine kreisscheibenförmige Bo­ denplatte 2, eine zylindrische Umfangswand 3 und eine Deckenwand 4 auf. Die Resonator-Wandelemente 2, 3 und 4 bestehen aus einem Metall guter elektrischer Leitfähig­ keit wie beispielsweise Cu oder einem HTSL-Material und definieren in ihrem Inneren einen Hohlraum 5.

Die Bodenplatte 2 weist über ihren Umfang verteilte Durchgangsbohrungen 6 auf, welche von Gewindeschrauben 7 durchlaufen werden, mittels derer die Bodenplatte 2 an einem bodenseitigen Flansch 8 der Umfangswand 3 festge­ legt ist. Zwischen der Bodenplatte 2 und dem Flansch 8 ist ein ringscheibenförmiges Abstandselement 9 vorgegebe­ ner Stärke und darüber ein kreisscheibenförmiger Hubboden 10 angeordnet.

Im zentralen Bereich zwischen der Bodenplatte 2 und dem Hubboden 10 befindet sich ein Mehrschicht-Piezoelement 11. Das Mehrschicht-Piezoelement 11 weist einen Maximal­ hub von einigen µm auf, welcher auf den Hubboden 10 über­ tragen werden kann und eine zentrale Auswölbung desselben herbeiführt.

Im zentralen Bereich oberhalb des Mehrschicht- Piezoelements 11 ist auf dem Hubboden 10 ein dielektri­ sches Sockelelement 12 angeordnet, das einen dielektri­ schen Zylinder 30 trägt. Der dielektrische Zylinder 30 besteht aus einem dielektrischen Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ε (beispielsweise Saphir) und ist koaxial mit der Umfangswand 3 des Hohlraumresonators 1 angeordnet.

Durch die zylindrische Umfangswand 3 hindurch ragen in den Hohlraum 5 eine Einkoppelantenne 13a und eine Auskop­ pelantenne 13b hinein. Die Ein- und Auskoppelantennen 13a, 13b sind jeweils als Koaxialkabel mit, endseitig aus­ gebildeten Koaxialschleifen ausgeführt.

Die Deckenwand 4 des Hohlraumresonators 1 ist mittels ei­ nes ringscheibenförmigen Abstandselements 14 vorgegebener Stärke von einem deckenseitigen Flansch 15 der Umfangs­ wand 3 beabstandet und in ähnlicher Weise wie die Boden­ wand 2 über Durchgangsbohrungen 16 durchsetzende Gewinde­ schrauben 17 an dem deckenseitigen Flansch 15 fixiert.

Durch die Verwendung von Abstandselementen 9, 14 mit va­ riablen Stärken kann eine verhältnismäßig grobe Vorein­ stellung der Resonanzfrequenz ω_R des Hohlraumresonators 1 vorgenommen werden.

Eine in Form einer dünnen, metallischen Scheibe ausgebil­ dete Plattenfeder 18 ist randseitig zwischen dem ringscheibenförmigen Abstandselement 14 und der Decken­ wand 4 fixiert. Die Plattenfeder 18 begrenzt in ihrem zentralen Bereich einen in der Deckenwand 4 vorhandenen, zylinderförmigen Federaufnahmeraum 19. Der Federaufnahme­ raum 19 enthält in dem hier dargestellten Beispiel drei übereinander angeordnete Tellerfedern 20, die um ein zen­ trales Führungselement 21 herum gelagert und bodenseitig an der Plattenfeder 18 abgestützt sind.

Oberhalb der Deckenwand 4 befindet sich eine Mikrometer­ schraube 22, die aus einem fest mit der Deckenwand 4 ver­ bundenen Schraubenfutter 23 und einem darin in einem Feingewinde geführten Drehglied 24 besteht. Das Drehglied 24 beaufschlagt mit einem bodenseitig vorstehenden Stell­ stift 24a das obere Ende eines in einer Zentralbohrung des Schraubenfutters 23 geführten Stempels 25, dessen un­ teres Ende ein auf die obere Tellerfeder 20 wirkendes er­ stes Mehrschicht-Piezoelement 26 beaufschlagt.

Bei einer Verstellung des Drehgliedes 24 wird der Stempel 25 mit hoher Einstellgenauigkeit (beispielsweise 50 µm pro Umdrehung) in Axialrichtung bewegt. Der Bewegungsweg wird auf das erste Mehrschicht-Piezoelement 26 übertragen und kann von diesem zusätzlich verändert, d. h. verkürzt oder verlängert werden. Der ausgangsseitig des ersten Mehrschicht-Piezoelements 26 auftretende Linearhub Δx₁ wirkt auf die oberste Tellerfeder 20 und komprimiert die­ se. Die Tellerfedern 20 drücken auf die Plattenfeder 18 und lenken diese in ihrem zentralen Bereich um einen Aus­ lenkungsweg Δx₂ aus. Aufgrund der von der Plattenfeder 18 ausgeübten Gegenkraft ist der ausgangsseitige Auslen­ kungsweg Δx₂ kleiner als der eingangsseitige Linearhub Δx₁. Die Reduzierung des Auslenkungswegs Δx₂ bezüglich Δx₁ wird durch die Federkonstante k₁ des Tellerfederstapels und die Federkonstante k₂ der Plattenfeder 18 bestimmt.

Bei gleichen Federkonstanten k₁ = k₂ wird eine Bewegungs­ wegverkürzung um den Faktor 2 erzielt.

An der von dem Federaufnahmeraum 19 abgewandten Seite der Plattenfeder 18 ist über einen Stiel 27 eine Abstimm­ scheibe 28 angebracht. Die Abstimmscheibe 28 erstreckt sich parallel und unter einem kleinen Abstand d zu einer ebenen Oberfläche 29 des dielektrischen Zylinders 30. Bei einer zentralen Auslenkung Δx₂ der Plattenfeder 18 in bo­ denseitiger Richtung verlagert sich die Abstimmscheibe 28 ebenfalls um Δx₂, so daß sich ein zuvor eingestellter Ab­ stand d zwischen der Abstimmscheibe 28 und dem zylindri­ schen Körper 30 auf d - Δx₂ verkürzt.

Fig. 2 zeigt in Form eines Blockschaltbildes den prinzi­ piellen Aufbau eines Mikrowellenoszillators, der den in Fig. 1 dargestellten Hohlraumresonator 1 verwendet. Ein Verstärkersignal 41 eines Verstärkers 40 wird einem Hoch­ frequenzkoppler 42 zugeführt. Der Hochfrequenzkoppler 42 koppelt aus dem Verstärkersignal 41 einerseits ein Nutz­ signal 43 aus und leitet das Verstärkersignal 41 anderer­ seits zu dem Hohlraumresonator 1 weiter. Die Einkopplung des Verstärkersignals 41 in den Hohlraumresonator 1 er­ folgt über die Eingangsantenne 13a.

Über die Ausgangsantenne 13b wird ein Ausgangssignal 44 aus dem Hohlraumresonator 1 ausgekoppelt und einem elek­ trisch oder mechanisch betätigbaren Phasenschieber 45 zu­ geführt, welcher zur Einstellung der Phasenbedingung in dem Rückkopplungszweig 41, 42, 1, 44, 45 vorgesehen ist. Das von dem Phasenschieber 45 erzeugte phasenverschobene Rückkoppelsignal 46 wird in den Verstärker 40 einge­ speist.

Wie bereits erwähnt, kann der Mikrowellenoszillator nur dann kontinuierlich durchgestimmt werden, wenn der Hohl­ raumresonator 1 eine geforderte Einstellgenauigkeit der Resonanzfrequenz Δω_R von etwa 100 kHz oder weniger er­ reicht. Ungünstig ist dabei, daß die Abstimmsteilheit Δω_R/Δx₂ eines Hohlraumresonators proportional mit seiner Güte Q zunimmt. Bei Resonatoren 1 mit vergleichsweise ge­ ringer Güte (Q ≈ 10⁴) wird eine typische Abstimmsteilheit von 10 kHz/µm beobachtet. Dies bedeutet, daß die Ein­ stellgenauigkeit des Abstimmechanismus in Hinblick auf die erreichbare Lagegenauigkeit der Abstimmscheibe 28 nur etwa 10 µm betragen muß, um die geforderte Abstimmgenau­ igkeit Δω_R der Resonanzfrequenz von 100 kHz zu erreichen.

Demgegenüber beträgt die Abstimmsteilheit bei einer Güte von Q ≈ 10⁷ bereits 10³ kHz/µm. Eine Güte von Q ≈ 10⁷ läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Hohlraumresonator 1 durch eine Kühlung desselben auf etwa 77 K erzielen, weil sich für sogenannte Whispering-Gallery-Moden auf diese Weise die in dem dielektrischen Zylinder 30 auftretenden die­ lektrischen Verluste deutlich reduzieren lassen. Um eine kontinuierliche Durchstimmbarkeit eines Mikrowellenoszil­ lators mit dem gekühlten Hohlraumresonator 1 zu errei­ chen, muß der Abstimmechanismus des Hohlraumresonators 1 dann eine Einstellgenauigkeit von 0,1 µm aufweisen.

Die in Fig. 1 dargestellten Übersetzungsmechanik 18, 20 ermöglicht (bei Verwendung einer Mikrometerschraube 22 einer Einstellgenauigkeit von 50 µm pro Umdrehung) eine derartige Einstellgenauigkeit und gestattet somit die Realisierung eines vollständig durchstimmbaren Mikrowel­ lenoszillators mit einem Hohlraumresonator 1 der Güte Q ≈ 10⁷.

Die hohe Einstellgenauigkeit des Abstimmechanismus 22, 20, 18 beruht neben der erfindungsgemäßen Reduzierung des Bewegungsweges durch die Übersetzungsmechanik 18, 20 auch darauf, daß aufgrund der Konstruktion der Übersetzungsme­ chanik 18, 20 aus hintereinander geschalteten Feder­ elementen in dieser praktisch kein Bewegungsspiel auf­ tritt. Dadurch wird auch eine hohe Reproduzierbarkeit der Einstellungsposition ermöglicht.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Abstimmechanismus 22, 20, 18 ist seine mechanische Stabilität und Vibrati­ onsfestigkeit insbesondere bei verhältnismäßig niedrigen Anregungsfrequenzen (< 1 kHz). Diese beruht neben der be­ reits erwähnten robusten und im wesentlichen spielfreien Konstruktion der Übersetzungsmechanik 18, 20 zum einen auf den hohen mechanischen Eigenfrequenzen der Plattenfe­ der 18 und zum anderen auf den hohen Kräften, die aufge­ wendet werden müssen, um diese auszulenken (beispielsweise ist k₂ = 5000 N/mm). Dadurch wird eine ausgesprochen geringe Mikrophonieanfälligkeit erreicht und es ist sogar möglich, den Hohlraumresonator 1 mittels eines kommerziellen Kleinkühlers 1 zu kühlen, ohne daß ein Übersprechen der Kühlervibrationen in das Resonanz­ frequenzspektrum beobachtet wird.

Vorzugsweise können auch die ersten und zweiten Mehr­ schicht-Piezoelemente 26, 11 zur elektrischen Einstellung der Resonanzfrequenz ω_R verwendet werden. Das erste Mehr­ schicht-Piezoelement 26 bewirkt dabei eine Bewegung der Abstimmscheibe 28 relativ zu dem ortsfesten dielektri­ schen Zylinder 30, während ein Betrieb des zweiten Mehr­ schicht-Piezoelements 11 eine Bewegung des dielektrischen Zylinders 30 relativ zu der ortsfesten Abstimmscheibe 28 zur Folge hat. Dabei ermöglicht insbesondere das der Übersetzungsmechanik 18, 20 vorgeschaltete erste Mehr­ schicht-Piezoelement 26 eine sehr genaue elektrische Feineinstellung der Resonanzfrequenz ω_R und eignet sich deshalb in besonderem Maße als Stellglied zur Regelung der Resonanzfrequenz ω_R in einem Regelschleifenbetrieb.

In Fig. 3 ist ein Diagramm dargestellt, das das Abstimm­ verhalten des in Fig. 2 gezeigten Oszillators unter den folgenden beispielhaften Bedingungen verdeutlicht: Der Hohlraumresonator 1 ist auf eine Temperatur von 77 K ge­ kühlt und weist einen dielektrischen Zylinder 30 aus Sa­ phir auf. Es wird eine Mikrometerschraube 22 mit einem Hub von 50 µm pro Umdrehung, drei Tellerfedern 20 und ei­ ne 1 mm starke Plattenfeder 18 (k₂ = 5000 N/mm) verwen­ det. Die Abstimmscheibe 28 besteht aus Saphir und weist eine Dicke von 0,5 mm auf. Die Abstimmung erfolgt bei ei­ ner Frequenz von 23 GHz.

Auf der im linken Bildbereich der Fig. 3 dargestellten y- Achse ist die Änderung der Oszillatorfrequenz Δf als Funktion des auf der x-Achse aufgetragenen Linearhubs Δx₂ der Abstimmscheibe 28 dargestellt. Eine Variation des Li­ nearhubs Δx₂ von 0,75 mm entspricht einer Frequenzände­ rung von 45 MHz.

Bei den genannten Bedingungen wird eine minimale mechani­ sche Lageänderung der Abstimmscheibe 28 von Δx₂(min) < 0,2 µm erreicht. Dies entspricht gemäß Fig. 3 bei kleinen Abständen d < 0,3 mm zwischen der Abstimmscheibe 28 und dem dielektrischen Zylinder 30 etwa einer minimalen Ände­ rung der Resonanzfrequenz Δω_R(min) von 4 kHz. Diese durch die mechanische Verstimmung des Hohlraumresonators 1 er­ zielbare Frequenzänderung ist somit deutlich geringer als die von dem Phasenschieber 45 herbeiführbare maximale Frequenzvariation von etwa 100 kHz, d. h. die eingangs ge­ nannte Bedingung für die kontinuierliche Durchstimmbar­ keit des Mikrowellenoszillators ist gut erfüllt.

Die auf der im rechten Bildbereich der Fig. 3 dargestell­ ten y-Achse aufgetragene Güte Q des Hohlraumresonators 1 ist über den gesamten Abstimmbereich des Mikrowellenos­ zillators weitgehend konstant und beträgt in dem hier dargestellten Beispiel Q < 2 . 10⁶. Dabei tritt auch während eines Einstellvorgang praktisch keine Gütedegradation des Hohlraumresonators 1 auf.

Claims (12)

1. Abstimmbarer Hohlraumresonator, der

• 1. einen einen Hohlraum (5) definierenden Resonator­ körper (2, 3, 4),
• 2. eine in ihrer Lage gegenüber dem Resonatorkörper (2, 3, 4) veränderliche und dabei die Resonanzfre­ quenz (ω_R) des Hohlraumresonators (1) beeinflussen­ de Abstimmscheibe (28) und
• 3. eine Stelleinrichtung (22, 26) zur mechanischen La­ geveränderung der Abstimmscheibe (28) aufweist,

gekennzeichnet durch eine Übersetzungsmechanik (18, 20), die die Stelleinrichtung (22, 26) bewegungsmäßig mit der Abstimmscheibe (28) koppelt und einen von der Stelleinrichtung (22, 26) erzeugten Linearhub (Δx₁) unter vorgegebenem Verhältnis (U) in einen auf die Abstimmscheibe (28) wirkenden, reduzierten Linearhub (Δx₂) übersetzt, wobei die Übersetzungsmechanik (18, 20) ein erstes Federelement (20), dessen stellein­ richtungsseitiges Ende mit dem von der Stelleinrich­ tung (22, 26) erzeugten Linearhub (Δx₁) auslenkbar ist, und ein zweites Federelement (18), das das stell­ einrichtungsferne Ende des ersten Federelements (20) mit einer Gegenkraft beaufschlagt, aufweist.

2. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste Federelement aus wenigstens einer Tellerfeder (20) gebildet ist, und daß das zweite Federelement von einer umfangsseitig fixierten, von der Tellerfeder (20) zentral beauf­ schlagten Plattenfeder (18) realisiert ist.

3. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet,

• 1. daß der Resonatorkörper aus einer zylindrischen Um­ fangswand (3), einer Deckenwand (4) und einer Bo­ denwand (2) besteht,
• 2. daß in der Deckenwand (4) und/oder der Bodenwand (2) ein zur Umfangswandachse koaxialer, einen Tel­ lerfederstapel (20) enthaltender zylindrischer Fe­ deraufnahmeraum (19) ausgebildet ist, und daß die Plattenfeder (18) in ihrem radial äußeren Bereich zwischen einem Flansch (15) der Umfangswand (3) und der Decken- oder Bodenwand (4; 2) fixiert ist.

4. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (22, 26) ein insbesondere manuell betätigbares mechanisches Stellglied, insbesondere Drehstellglied (22) und ein dem mechanischen Stell­ glied (22) nachgeschaltetes erstes elektromechani­ sches Stellglied, insbesondere erstes Piezoelement (26) aufweist.

5. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Flansch (15) der Umfangswand (3) und der Boden- und/oder Decken­ wand (2; 4) eine oder mehrere Abstandselemente (9; 14) vorgegebener Stärke angeordnet sind.

6. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmscheibe (28) aus einem dielektrischen Materi­ al, insbesondere Saphir, besteht.

7. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß in dem Resonatorkörper (2, 3, 4) ein dielektri­ scher Körper (30) vorgesehen ist, und
• 2. daß die Abstimmscheibe (28) innerhalb des Resona­ torkörpers (2, 3, 4) unter einem geringen Abstand (d) zu einer ebenen Oberfläche (29) des dielektri­ schen Körpers (30) angeordnet ist.

8. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (30) auf einem mittels eines zweiten elektromechani­ schen Stellglieds, insbesondere zweiten Piezoelements (11) in seiner Höhe veränderlichen Hubboden (10) an­ gebracht ist.

9. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder das zweite elektromechanische Stell­ glied (11; 26) ein von einer Ansteuerschaltung ausge­ gebenes elektrisches Steuersignal empfängt, mittels dessen der Hohlraumresonator (1) in einem Frequenz- Regelschleifenbetrieb betrieben wird.

10. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (1) thermisch an eine externe Küh­ leinrichtung, insbesondere einen mechanischen Klein­ kühler angeschlossen ist.

11. Abstimmbarer Mikrowellenoszillator mit einem Hohl­ raumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch einen Verstärker (40), der ein den Hohlraumresonator (1) anregendes Verstärker­ signal (41) ausgibt, einen Phasenschieber (45), der ein aus dem Hohlraumresonator (1) ausgekoppeltes Aus­ gangssignal (44) entgegennimmt und ein gegenüber dem Ausgangssignal (44) phasenverschiebbares Rückkoppel­ signal (46) bereitstellt, welches einem Eingang des Verstärkers (40) zugeführt wird.

12. Abstimmbarer Mikrowellenoszillator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator 1 eine Güte Q < 10⁶, insbesondere Q < 10⁷ aufweist, und daß die Übersetzungsmechanik (18, 20) des Hohlraumre­ sonators (1) so ausgelegt ist, daß die durch eine mi­ nimal mögliche Verstellung der Stelleinrichtung (22) erzielbare Minimaländerung der Resonanzfrequenz (Δω_R(min)) kleiner als der durch eine Verstellung des Phasenschiebers (45) maximal erzielbare Frequenzhub (Δω_R) der Resonanzfrequenz (ω_R) ist.