DE2529141C3 - Frequency stable microwave resonator - Google Patents

Frequency stable microwave resonator

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DE2529141C3 DE19752529141 DE2529141A DE2529141C3 DE 2529141 C3 DE2529141 C3 DE 2529141C3 DE 19752529141 DE19752529141 DE 19752529141 DE 2529141 A DE2529141 A DE 2529141A DE 2529141 C3 DE2529141 C3 DE 2529141C3
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    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06Cavity resonators

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellen-sonator, dessen Resonatorinnenraum mit trockenem, gasgeschlossen geschäumtem, dielektrischem Material gefüllt ist, und bei dem zur Abstimmung mindtstens eine Wand mit einer öffnung für ein Abstimmorgan versehen ist.The invention relates to a microwave sonator, its resonator interior with dry, gas-closed foamed, dielectric material is filled, and at least one wall with an opening for a voting element for voting is provided.

Betrachtet man das Frequenzverhalten von Mikrowellenresonatoren, so zeigt es sich, daß die für viele Anwendungen geforderte hohe Genauigkeit und Stabilität der Eigenfrequenz im allgemeinen nur schwer einzuhalten ist. Es sind diesbezüglich eine Vielzahl von Bemühungen bekannt, insbesondere den Grad der thermischen Beeinflussung bei solchen Resonatoren durch konstruktive Maßnahmen und durch geeignete Materialauswahl herabzusetzen. Durch Verwendung von Materialien mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie z. B. Invar, läßt sich ein Temperaturkoeffizient der Resonator-Eigenfrequenz von zirka 10·' pro Grad Celsius erreichen. Weiterhin läßt sich die thermische Beeinflussung der Eigenfrequenz von Mikrowellenresonatoren dadurch verringern, daß ihre Verlustleistung klein gehalten wird.If you look at the frequency behavior of microwave resonators, it turns out that for many Applications required high accuracy and stability of the natural frequency generally only with difficulty must be adhered to. A variety of efforts are known in this regard, particularly the level of thermal influence in such resonators through constructive measures and through suitable Reduce the choice of materials. By using materials with a low coefficient of thermal expansion, such as B. Invar, a temperature coefficient of the resonator natural frequency of about 10 · 'per Reach degrees Celsius. Furthermore, the thermal influence on the natural frequency of Reduce microwave resonators by keeping their power loss small.

Es zeigt sich jedoch, daß trotz ausreichender Verringerung des Einflusses von Temperaturschwankungen weiterhin störende Frequenzänderungen auftreten, deren Ursache vorwiegend in Schwankungen der Luftfeuchtigkeit zu sehen ist und die innerhalb des für den Betrieb derartiger Geräte geforderten, zulässigen Temperatur- und Feuchtigkeitsbereiches der umgebenden Luft die Größenordnung 10^ annehmen können. Durch Luftfeuchtigkeit wird die Dielektrizitätskonstante der Luft verändert und damit die Resonanzwellenlänge, die proportional zur Wurzel aus der Dielektrizitätskonstanten ist. Diese Größe des Einflusses von Schwankungen der Luftfeuchtigkeit auf die Eigenfrequenz von Mikrowellenresonatoren wird besonders deutlich, wenn man bedenkt, daß innerhalb des tolerierten Luftfeuchtigkeitsbereiches dadurch Eigenfrequenzverwerfungen auftreten, wie sie bei temperaturkompensierten Mikrowellenresonatoren bei konstant gehaltener Luftfeuchtigkeit erst durch Temperaturunterschiede von etwa 1000C erreicht werden.It has been shown, however, that despite sufficient reduction in the influence of temperature fluctuations, disturbing frequency changes continue to occur, the cause of which is primarily to be seen in fluctuations in air humidity and the allowable temperature and humidity range of the surrounding air within the permissible temperature and humidity range of the surrounding air required for the operation of such devices ^ can accept. Humidity changes the dielectric constant of the air and thus the resonance wavelength, which is proportional to the square root of the dielectric constant. This magnitude of the influence of fluctuations in humidity on the natural frequency of microwave resonators becomes particularly clear when one considers that natural frequency distortions occur within the tolerated humidity range, as can only be achieved in temperature-compensated microwave resonators with constant humidity through temperature differences of about 100 ° C.

Der Einfluß der Luftfeuchtigkeit läßt sich bei nichtabstimmbaren und bei nur in einem geringen Maße, z. B. durch mechanisches Verbiegen der Resonatorwände, abstimmbaren Resonatoren durch hermetische Abschließung des vorzugsweise mit trockener Luft oder mit trockenem geschäumten dielektrischen Material gefüllten Resonatorinnenraumes ausschließen.The influence of the air humidity can be determined with non-tunable and only to a small extent, z. B. by mechanical bending of the resonator walls, tunable resonators by hermetic Sealing of the dielectric material, preferably with dry air or with dry foamed dielectric material exclude filled resonator interior.

Bei abstimmbaren Resonatoren, bei denen im allgemeinen ein über eine Durchführung in den Resonatorinnenraum eingeführtes bewegliches Abstimmorgan vorgesehen ist, bereitet es erhebliche Schwierigkeiten, den Resonatorinnenraum hermetisch abzuschließen um Feuchtigkeitsschwankungen der Außenluft unwirksam zu machen. Beim Ausschäumen eines solchen Resonators muß zur Verhinderung des Eindringens von Feuchtigkeit durch die umgebende Luft auf die Verwendung von gasgeschlossen schäumbarem dielektrischen Material geachtet werden. Auch der Versuch, ein solches Abstimmorgan über einen luftundurchlässigen Faltenbalgen mit dem Resonator so zu verbinden, daß dessen Innenraum abgeschlossen ist, führt nicht zu dem gewünschten Ergebnis. Es zeigt sich, daß der hiermit erzielbare Abstimmbereich im allgemeinen zu klein ist, und daß mit dem Abstimmvorgang in diesem Falle auch eine Änderung des eingeschlossenen Luftvolumens und damit auch eine Änderung der relativen Luftfeuchte des Resonatorinnenraums verbunden ist. Besondere Schwierigkeiten ergeben sirh jedoch bei der Auswahl eines geeigneten Materials für den Faltenbalgen, für das insbesondere gefordert werden muß, daß auch häufiges Abstimmen keinerlei Alterungserscheinungen bzw. Undichtigkeiten verursacht. Diese Schwierigkeiten können jedoch noch nicht gelöst werden, so daß die hier beschriebene Methode, feuchtigkeitsbedingte Änderungen der Eigenfrequenz abstimmbarer Mikrowellenresonatoren durch Verwendung eines abdichtenden Faltenbalgens auszuschließen, keine befriedigende Lösung des anstehenden Problemes darstellt.In tunable resonators, which generally have a bushing in the Resonatorinnenraum introduced movable tuning member is provided, it prepares considerable Difficulties hermetically sealing the interior of the resonator in order to avoid fluctuations in humidity To make outside air ineffective. When foaming such a resonator must to prevent the Penetration of moisture through the surrounding air due to the use of gas-tight foamable dielectric material must be respected. Also the attempt to set up such a tuning element via an air-impermeable one To connect bellows with the resonator in such a way that its interior is closed, does not lead to the desired result. It turns out that the tuning range that can be achieved in this way is generally is too small, and that with the tuning process in this case also a change in the included Air volume and thus also a change in the relative humidity of the resonator interior is. However, particular difficulties arise in the selection of a suitable material for the Bellows, for which it must be required in particular that even frequent tuning, no signs of aging whatsoever or causes leaks. However, these difficulties cannot yet be resolved so that the method described here, moisture-related changes in the natural frequency exclude tunable microwave resonators by using a sealing bellows, does not represent a satisfactory solution to the problem at hand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten Schwierigkeiten nach Möglichkeit abzuhelfen und für einen Mikrowellenresonator, dessen Resonatorinnenraum mit trockenem, gasgeschlossen geschäumtem, dielektrischem Material gefüllt ist, und bei dem zur Abstimmung mindestens eine Wand mit einer öffnung für ein Abstirrmorgan versehen ist, einen Aufbau anzugeben, durch den unter Beibehaltung einer weitgehenden Unabhängigkeit der jeweiligen Eigenfrequenz des Resonators von Luftfeuchtigkeitsschwankungen der Umgebungsluft, eine Abstimmbarkeit in einem besonders großen Frequenzbereich gewährleistet ist.The invention is therefore based on the object of addressing the difficulties outlined above as far as possible to remedy and for a microwave resonator, the resonator interior with dry, gas-sealed foamed, dielectric material is filled, and in which at least one wall to vote is provided with an opening for a separating element, to specify a structure through which, while maintaining a high degree of independence of the respective Natural frequency of the resonator from fluctuations in humidity in the ambient air, a tunability is guaranteed in a particularly large frequency range.

Ausgehend von einem Mikrowellenresonator, dessen Resonatorinnenraum mit trockenem, gasgeschlossen geschäumtem, dielektrischem Material gefüllt ist, undStarting from a microwave resonator, the interior of which is closed by dry gas foamed, dielectric material is filled, and

bei dem zur Abstimmung mindestens eine Wand mit einer öffnung für ein Abstimmorgan versehen ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Resonator eine vom dielektrischen Füllmaterial freibleibende, geradlinig verlaufende Durchführung konstanten Querschnitts aufweist, daß ein in der Durchführung verschiebbar angeordnetes und in jeder Position innerhalb des vorgegebenen Abstimmbereiches die Durchführung weitgehend ausfüllendes Abstimmorgan vorgesehen ist, und daß das Abstimmorgan aus wenigstens zwei Abschnitten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante derart zusammengesetzt ist, daß bei seiner Verschiebung der jeweils im Resonator befindliche Abschnitt eine Änderung der resultierenden Dielektrizitätskonstante bewirktin which at least one wall is provided with an opening for a voting element for the purpose of voting This object is achieved according to the invention in that the resonator is one of the dielectric filling material free, rectilinear implementation has constant cross-section that one in the Implementation displaceably arranged and in any position within the specified tuning range the implementation largely filling-out voting organ is provided, and that the voting organ is composed of at least two sections with different dielectric constants in such a way that that when it is moved the section located in each case in the resonator changes the resulting Dielectric constant causes

Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles noch näher erläutertIn the following the invention will be explained with reference to the embodiment shown in the drawing explained in more detail

In der Zeichnung ist ein quaderförmiger erfindungsgemäßer Mikrowellen-Hohlraumresonator dargestellt, dessen metallisches Gehäuse 1 aus Invar besteht, und dessen dem Resonatorinnenraum zugewandten Flächen zur Erzielung einer ausreichenden Güte mit Silber belegt sind. Durch die Wahl von Invar als Werkstoff für den Resonator ist gewährleistet, daß dessen Eigenfrequenz weitgehend ur abhängig von Temperaturschwankungen ist.In the drawing is a cuboid according to the invention Microwave cavity resonator shown, the metallic housing 1 consists of Invar, and its surfaces facing the resonator interior to achieve sufficient quality with silver are occupied. The choice of Invar as the material for the resonator ensures that its natural frequency is largely dependent on temperature fluctuations.

Um die Anschaulichkeit zu erhöhen, ist das metallische Resonatorgehäuse in der Zeichnung aufgeschnitten, so daß der Blick auf den mit gasgeschlosjen geschäumtem Glas gefüllten Resonatorinnenraum 2 frei wird. Um den Resonator abstimmbar zu machen, ist der Resonatorinnenraum jedoch nicht vollständig ausgeschäumt. Vielmehr ist, um die Aufnahme eines hier zylinderförmigen Abstimmorgans 3 zu ermöglichen, in dem geschäumten Material eine zylinderförmige Durchführung 4 vorgesehen, deren Mittelachse mit einer der Resonatormittelachsen übereinstimmt. Die zylinderförmige Durchführung 4 setzt sich geradlinig beiderseits des geschäumten Materials in jeweils einer Bohrung durch die Wandung des Resonator; fort.In order to increase the clarity, the metallic resonator housing is cut open in the drawing, so that the view of the resonator interior 2 filled with gas-closed foamed glass is free will. In order to make the resonator tunable, however, the interior of the resonator is not completely filled with foam. Rather, in order to enable a tuning member 3, which is cylindrical here, to be accommodated, FIG the foamed material a cylindrical passage 4 is provided, the central axis of which with one of the Resonator center axes coincides. The cylindrical passage 4 is straight on both sides of the foamed material in a respective bore through the wall of the resonator; away.

Das Abstimmorgan 3 enthält einen aus polykristallinem Aluminiumoxid Al2Oj bestehenden, ebenfalls zylindrisch geformten ersten Abschnitt 5, dessen Durchmesser geringfügig kleiner gewählt ist als der Durchmesser der Durchführung 4. Dieser erste Abschnitt 5 ist an seiner Stirnfläche 7 mit einem zweiten zylindrischen Abschnitt gleichen Durchmessers verbunden, der übereinstimmend wie die Füllung des Resonatorinnenraumes aus geschäumtem Glas besteht. Beide zylindrische Abschnitte bilden zusammen das Absümmorgan 3.The tuning member 3 contains a polycrystalline aluminum oxide Al 2 Oj, also cylindrically shaped first section 5, the diameter of which is selected to be slightly smaller than the diameter of the feedthrough 4. This first section 5 is connected at its end face 7 to a second cylindrical section of the same diameter which, like the filling of the resonator interior, consists of foamed glass. Both cylindrical sections together form the suction element 3.

Zur Ausnützung des gesamten möglichen Abstimmbereiches ist die Länge des ersten, aus Aluminiumoxid bestehenden Abschnittes 5 beim Ausführungsbeispiel übereinstimmend mit der Länge der zylindrischer Durchführung 4 gewählt Um zu gewährleisten, daß bei jeder Einstellung des Abschnittes 5 die Durchführung 4 weitgehend ausgefüllt ist, ist auch die Länge des mit dem ersten Abschnitt 5 verbundenen zweiten zylindrischen Abschnittes übereinstimmend mit der Länge der Durchführung 4 gewähltTo use the entire possible tuning range is the length of the first section 5 made of aluminum oxide in the exemplary embodiment chosen to match the length of the cylindrical bushing 4 To ensure that at each setting of the section 5 the implementation 4 is largely filled, the length of the with the first section 5 connected second cylindrical section corresponding to the length of the Execution 4 selected

Zur Vermeidung von Streufeldern sind an den gegenüberliegenden Außenseiten des Resonators rohrförmige Hochfrequenz-Dichtungshülsen 6 angebracht, deren Innendurchmesser mit dem Durchmesser der zylindrischen Durchführung 4 übereinstimmt.In order to avoid stray fields, tubular shapes are placed on the opposite outer sides of the resonator High-frequency sealing sleeves 6 attached, the inner diameter of which corresponds to the diameter of the cylindrical implementation 4 matches.

Wegen des geringen Füllfaktors des geschäumten dielektrischen Materials sind die Auswirkungen von Temperaturkoeffizient und Verlustwinkel des Dielektrikums praktisch vernachlässigbar. Aus demselben Grunde bleiben die mechanischen Abmessungen des metallischen Resonators und damit auch seine Güte erhalten.Because of the low fill factor of the foamed dielectric material, the effects of Temperature coefficient and loss angle of the dielectric are practically negligible. From the same Basically, the mechanical dimensions of the metallic resonator and thus also its quality remain obtain.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Mikrowellenresonator, dessen Resonatorinnenraum mit trockenem, gasgeschlossen geschäumtem, dielektrischem Material gefüllt ist, und bei dem zur Abstimmung mindestens eine Wand mit einer öffnung für ein Abstimmorgan versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator eine vom dielektrischen Füllmaterial freibleibende, geradlinig verlaufende Durchführung konstanten Querschnitts aufweist, daß ein in der Durchführung verschiebbar angeordnetes und in jeder Position innerhalb des vorgegebenen Abstimmbereiches die Durchführung weitgehend ausfüllendes Abstimmorgan (3) vorgesehen ist, und daß das Abstimmorgan (3) aus wenigstens zwei Abschnitten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante derart zusammengesetzt ist, daß bei seiner Verschiebung der jeweils im Resonator befindliche Abschnitt eine Änderung der resultierenden Dielektrizitätskonstante bewirkt.1. Microwave resonator, the interior of which is covered with dry, gas-closed foamed, dielectric material is filled, and in which to vote at least one wall with a opening is provided for a tuning member, characterized in that the resonator a rectilinear bushing that remains free from the dielectric filler material Cross-section has that a slidably arranged in the implementation and in any position Voting body that largely fills out the implementation within the specified tuning range (3) is provided, and that the tuning member (3) consists of at least two sections of different Dielectric constant is composed such that when it is shifted the im Resonator located section causes a change in the resulting dielectric constant. 2. Mikrowellenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Abschnitte des Abstimmorgans (3) aus einem mit dem dielektrischen Füllmaterial übereinstimmenden Material besteht, dessen relative Dielektrizitätskonstante nur geringfügig vom Wert eins abweicht, und daß der andere Abschnitt aus polykristallinem Aluminiumoxid Al2O3 besteht.2. Microwave resonator according to claim 1, characterized in that one of the sections of the tuning element (3) consists of a material that matches the dielectric filler material, the relative dielectric constant of which deviates only slightly from the value one, and that the other section consists of polycrystalline aluminum oxide Al 2 O 3 consists. 3. Mikrowellenresonator nach Anspruch I und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des durchführungsförmigen Teils (2') des Resonatorinnenraumes jeweils eine mit der Resonatoraußenwandung verbundene, rohrförmige und formschlüssig an das Abstimmorgan (3) angepaßte Hochfrequenz-Dichtungshülse (6) vorgesehen ist.3. Microwave resonator according to claim I and claim 2, characterized in that both sides of the leadthrough-shaped part (2 ') of the resonator interior each one with the resonator outer wall connected, tubular and positively adapted to the tuning element (3) High frequency sealing sleeve (6) is provided.
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