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Hohlraumresonator mit gradliniger Frequenzabstimmung
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und diesen Hohlraumresonator enthaltende Schaltung Die Erfindung
betrifft einen Hohlraumresonator mit gradliniger Frequenzabstimmung und vorzugsweise
mit Temperaturkompensierung, dessen Abstimmelement sich auf einer gradlinigen erzwungenen
Bahn bewegt, sowie Mikrowellenkreis, der mindestens einen Hohlraumresonator enthält
bzw. von diesem abgestimmt wird und mit TEM-Wellentyp arbeitet, welcher insbesondere
als Signalgeneraor, Meßoszillator, Frequenzmesser und Meß-Empfangs-Mikrowellenkreis
geeignet ist.
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Allgemein enthält der erfindungsgemäße Hohlraumresonator einen Hohlraum,
ene Abstimmeinheit und wohlbekannte Komplementärelemente zur individuellen Abwandlung,
beispielsweise Koppelschleife, Irisblende, Reflex-Klystron, Halbleiter usw. sowie
Versorgungs-und Steuereinheiten.
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Die folgenden Lösungen sind zur Abstimmung von abstimmbaren Hohlraumresonatoren
und Kreisen mit Hohlraumresonatoren bekannt, wofür als charakteristische Beispiele
Resonanzfrequenzmesser, Meßoszillatoren, die von einem Hohlraumresonator abgestimmt
werden,
Signalgeneratoren und -empfänger erwähnt werden können:
Bei nichtlinearer Abstimmung wird als Funktion der Resonanzfrequenz abgestimmt,
und zwar mittels Antrieb eines Bauteils mit nichtlinearer Verschiebung, wodurch
eine indirekte Frequenzablesung unter Verwendung eines Eichdiagramms oder einer
nichtlinearen Skala, die direkt in Frequenzen geeicht ist, durchgeführt wird. Bei
Kreisen mit verschiedenen Hohlraumresonatoren ist, wenn diese Art der Abstimmung
angewendet wird, entweder ein getrenntes Antriebselement für jeden einzelnen Resonator,
welches individuell eingestellt werden muß, oder ein gemeinsamer Antrieb für jeden
der einzelnen Resonatoren vorgesehen, und geeignete Konstruktionen werden zur Kompensation
der Unterschiede zwischen den Charakteristika der einzelnen Resonatoren verwendet.
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Geradlinige Frequenzabstimmung wird vorherrschend mittels einer erzeugenden
Mantellinie erzielt, wobei das Abstimmelement des Hohlraumresonators durch eine
exzenterähnliche Konstruktion betätigt wird, deren Mantellinienradius sich in übereinstimmung
mit der nichtlinearen Abstimmkennlinie des Hohlraums ändert.
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Eine einstellbare Ausführungsform der erzeugenden Mantellinie ist
ebenfalls wohlbekannt.
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Bei dem Schrauben-Abstimmverfahren, welches als weiterentwickelte
Variante der Abstimmung mittels einer erzeugenden Mantellinie betrachtet werden
kann, wird die Mantellinie durch eine Spirale mit nichtlinearem Gang ersetzt, welche
an dem Zylindermantel befestigt ist.
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Zur Erzielung der frequenz linearen Abstimmung ist eine Konstruktion
mit Stangenmechanismus wohlbekannt, durch die die nichtlinearen Abstimmcharakteristika
des Hohlraumresonators durch einen Kreisbogen approximiert werden.
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Eine angenähert lineare Abstimmung kann elektrisch erzielt werden
durch gleichzeitige Abstimmung der Wellenformkomponenten verschiedener Wellenformräume,
die innerhalb des Hohlraumresonators gebildet sind.
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Es sind Frequenzmesser bekannt, bei denen die Verschiebung des inneren
Leiters des Hohlraumes eine Änderung sowohl der TEM- als auch der TM-Komponenten
des elektromagnetischen Feldes in dem Hohlraum verursacht.
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Zur Temperaturkompensation, d.h. Reduzierung der Änderung der Resonanz
frequenz aufgrund von Temperaturänderungen, sind die folgenden Lösungen wohlbekannt:
Bei Hohlraumresonatoren und -kreisen, wo die relative Frequenzgenauigkeit 10 3 nicht
übertrifft, werden keine Maßnahmen zur Reduzierung der Temperaturabhängigkeit angewandt.
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Wenn die Frequenzgenauigkeit 10 3 übersteigt, so werden der Hohlraumresonator
und einige Ausführungsformen des Abstimmelements aus Materialien mit niedrigem Temperaturkoeffizienten
hergestellt, beispielsweise aus Invar, oder der Hohlraumresonator und das Abstimmelement
sind aus solchen Materialien hergestellt, die eine verschiedene thermische Ausdehnung
aufweisen.
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Die Nachteile der bekannten Lösungen können wie folgt zusammengefaßt
werden: Unter den Verfahren mit nichtlinearer Abstimmung wird dasjenige mit indirekter
Ablesung wegen seiner zeitraubenden Anwendung als veraltet betrachtet. Für Direktablesung
ausgelegten Typen werden entweder mit individueller Eichung versehen, was hohe Kosten
verursacht, oder aber die Abweichungen aufgrund der erstellung der Hohlraumresonatoren
und der darin angeordneten oder daran angekoppelten
Kreiselemente
können nachträglich nicht korrigiert werden, wodurch die Genauigkeit der Eichung
beeinträchtigt wird.
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Bei Kreisen, die verschiedene Resonatoren enthalten, wird die Einstellung
der getrennten Einstellelemente schwierig, während arbeitsintensive Konstruktionen,
die zur Kompensierung dienen, nur unter Schwierigkeiten hergestellt werden können.
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Gradlinige Abstimmung mit dem Mantelliniensystem ist einfach im Aufbau,
gleichzeitig ist aber zur Herstellung der Mantellinie eine spezielle Technologie
erforderlich, die neben höherem Kostenaufwand auch weniger genau ist als andere
Technologien, für die einfache Dreh- oder Vorschubbewegungen erforderlich sind.
Die Eichfehler aufgrund von Abweichungen in den Abmessungen, die während der Herstellung
auftreten, können auch bei dieser Lösung nicht korrigiert werden.
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Durch Verwendung von einstellbaren Mantelflächen und Spiralen wird
eine anschließende Korrektur möglich, jedoch auf Kosten einer komplizierteren und
folglich teureren Konstruktion.
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Zur Erreichung von Präzision ist eine arbeitsintensive Einstellung
an verschiedenen Punkten unbedingt erforderlich. Während der Einstellung tritt eine
Materialdeformierung auf, wodurch die Stabilität der Einstellung herabgesetzt wird.
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Durch Anwendung des Abstimmverfahrens mit einem Stabmechanismus kann
eine angenäherte Linearisierung erzielt werden, wobei der Fehler nicht unterhalb
die Werte herabgesetzt werden kann, die dem Unterschied zwischen den Kreischarakteristika,
die von der Abstimmregel des Hohlraumresonators bestimmt werden, und dem Stangenmechanismus
entsprechen.
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Gleichzeitige Abstimmung von verschiedenen Wellenformen erfordert
eine Ausbildung des Hohlraumresonators, die nachteilhaft bezüglich des Güte faktors
des Hohlraumresonators ist, und folglich wird die erzielbare Genauigkeit ebenfalls
begrenzt. Die selbst theoretisch approximative Natur der erzielten Abstimmung kann
als weitere Einschränkung der Genauigkeit betrachtet werden.
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Die Nachteile der zur Verkleinerung der Temperaturfehler angewandten
Lösungen sind folgende: Die Nachteile der Lösungen, bei denen Materialien mit niedrigem
Temperaturfaktor verwendet werden, liegen darin, daß diese speziellen Materialien
(Invar, Superinvar) teuer sind, daß die Verarbeitungskosten ebenfalls sehr hoch
sind, gleichzeitig der Temperaturfaktor nicht gleich Null ist und daß andererseits
bedeutende Abweichungen sich bei der Herstellung ergeben. Die erwähnte Tatsache
wird beim Temperaturfaktor der aus diesen Werkstoffen hergestellten Hohlraumresonatoren
und der Hohlraumresonatoren enthaltenden Kreise spürbar.
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Der Nachteil der bekannten Temperaturkompensationslösungen liegt daran,
daß die Kompensation nur bei einem einzelnen Punkt des Abstimmbereiches des Hohlraums
und des Kreises jeweils erfolgt, wobei deren ungefähre Wirksamkeit auf einen recht
unbedeutenden Frequenzbereich beschränkt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Hohlraumresonator bzw.
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einen durch den Hohlraumresonator abgestimmten Kreis zu schaffen,
mit dem bei geringerer Arbeitsintensität eine höhere Genauigkeit erzielt werden
kann. Durch Verwendung des Hohlraumresonators und des durch diesen abgestimmten
Kreises sollen insbesondere die folgenden Charakteristika erzielt werden: Reduzierung
der Charakteristikänderung aufgrund der Abweichung des Hohlraumresonators und der
angekoppelten Kreiselemente in einem solchen Maße, daß nur wenige Einstellelemente
benötigt werden;
statt Linearisierung mit einem vorbestimmten approximativen
Charakter soll eine Linearisierung erreicht werden, die der Basiswellenform des
Hohlraumresonators genau folgt (an dieser Stelle und im folgenden bedeutet der Begriff
"Basiswellenform" eine Feldstärkenverteilung innerhalb des Hohlraumresonators, die
eine bedeutende Rolle bei der Ausbildung der Abstimmcharakteristik des Hohlraumresonators
spielt).
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Diese Aufgabe wird durch einen Hohlraumresonator der eingangs beschriebenen
Art gelöst, der gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß mit dem Hohlraum
Abstimmelemente verbunden sind, die aus Konstruktionsteilen, vorzugsweise Abstandselemente
und Kolben, bestehen, welche eine gerade Führung ermöglichen und auf einer erzwungenen
Bahn verschiebbar sind, daß diese Teile in erzwungener Kopplung mit dem geraden
Führungsweg stehen, der an dem Konstruktionsteil gebildet ist, so daß dieses um
die Achse drehbar ist, welche senkrecht zur Bewegungsrichtung des Abstimmelements
ist, oder daß der gerade Führungsweg in erzwungener Kopplung mit dem Konstruktionsteil
steht, und zwar bei TE- und TM-Modifikationen, die eine Axialverschiebung ermöglichen,
dergestalt, daß das Abstimmelement mit einer Rolle oder einem Schieber versehen
ist, welcher bzw. welche gegen den Führungsweg anliegt, und daß die Rolle bzw. der
Schieber vorzugsweise durch eine Spannfeder vorgespannt sind. Der Hohlraumresonator
ist mit einem frequenzlinearen Einstellorgan versehen, vorzugsweise eine Stange
oder Latte, welche längs der geraden erzwungenen Bahn verschiebbar ist, und ist
ferner mit einer Rolle oder einem Schieber bzw. Gleitstück versehen. Die Rolle bzw.
der Schieber an dem frequenz linearen Einstellorgan ist, bei Variation der TEM-Basiswellenform,
vorzugsweise durch eine Feder vorgespannt, gegen den an dem Konstruktionsteil gebildeten
Führungsweg oder gegen den Führungsweg, der mit dem Konstruktionsteil in erzwungener
Kopplung steht, aufgelagert (Figur 1, 3).
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Bei einer anderen Ausführungsform mit TE- und TM-Basiswellenform ist
die Rolle bzw. der Schieber an dem Einstellorgan gegen den anderen gradlinigen Führungsweg
gelagert, welcher vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung des Abstimmelements
ist und an einer Halterung gebildet ist, die an der Wandung des Hohlraumresonators
befestigt ist (Figur 2).
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung liegen der Mittelpunkt der Achse
des Konstruktionsteils, das Drehzentrum der Rolle bzw. des Schiebers des Abstimmelements
und das Drehzentrum der Rolle bzw.
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des Schiebers des frequenzlinearen Einstellelements auf derselben
geraden Linie, die parallel zu der Führungsbahn ist (Figuren 1, 2, 3).
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Die Bewegungsrichtung des frequenzlinearen Einstellelements, beispielsweise
der Stange, enthält einen rechten Winkel (oder kleiner als rechtwinklig) bezüglich
der Richtung gradliniger Bewegung des Abstimmelements.
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Das frequenz lineare Einstellelement ist mit einer Gewindespindel
und einer mit entsprechendem Gewinde versehenen Manschette ausgestattet, während
mit der Gewindemanschette bzw. der Gewindespindel vorzugsweise über ein Abstandselement
ein Drehknopf und eine Frequenzskala verbunden sind, welche vorzugsweise aus einer
Anzahl von Anzeigescheiben besteht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Drehzentrum
der Rolle bzw. des Gleitstücks, welche bzw. welches an dem Einstellelement befestigt
ist, derart ausgebildet, daß es mit einer gradlinigen Bewegung bezüglich der Stellung
des Abstimmkolbens eingestellt wird.
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Die Achse des Konstruktionsteils ist in eine Halterung eingebettet,
deren Stellung bezüglich des Hohlraums in einer Ebene eingestellt
werden
kann, die parallel zu der Ebene ist, welche durch die Richtungen gradliniger Bewegung
des Abstimmelements und des frequenzlinearen Einstellelements definiert wird.
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Das Drehzentrum der Rolle bzw. des Gleitstücks, welches an dem frequenz
linearen Einstellelement angeordnet ist, kann bezüglich der Betätigungsstange eingestellt
werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hohlraumresonators
(Basiswellenformen TE und TM) liegt die Richtung der anderen Führungsbahn, die am
Hohlraum befestigt ist und die Lagerung der Rolle bzw. des Gleitstücks des frequenz
linearen Einstellelements bildet, senkrecht zur Richtung gradliniger Bewegung des
Einstellelements.
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Die resultierende thermische Ausdehnung der Komponenten, die den Abstand
zwischen dem Drehzentrum des Konstruktionsteils und der Abschlußplatte des Hohlraums
und/oder der elektromagnetischen Abdeckplatte des Hohlraums definieren, gemessen
in Richtung der gradlinigen, erzwungenen Bahn des Abstimmelements, ist gleich der
resultierenden thermischen Ausdehnung des Abstimmelements, und ferner ist der resultierende
Koeffizient der thermischen Ausdehnung des frequenzlinearen Einstellelements gleich
der Summe des resultierenden Koeffizienten der thermischen Ausdehnung der Komponenten,
die zwei Abstände definieren, von denen einer der Abstand zwischen der Rotationsachse
des Konstruktionsteils und der geraden Linie ist, die parallel zu der erzwungenen
Bahn des Abstimmelements ist und durch das Drehzentrum der Rolle bzw. des Gleitstücks
gelegt ist, das an dem Abstimmelement befestigt ist, rechtwinklig gemessen, und
von denen der andere der Abstand zwischen der Rotationsachse des Konstruktionsteils
und der geraden Linie ist, die parallel zu der erzwungenen Bahn des frequenzlinearen
Einstellelements verläuft und durch das Drehzentrum der Rolle bzw. des Gleitstücks
gelegt ist, das an dem frequenzlinearen Einstellelement befestigt ist, und zwar
ebenfalls rechtwinklig gemessen (Figur 1).
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Die resultierende thermische Ausdehnung der Komponenten, die den Abstand
zwischen dem Mittelpunkt der Drehachse des Konstruktionsteils und der Abschlußplatte
des Hohlraums festlegen, gemessen entlang der gradlinigen erzwungenen Bahn des Abstimmelements,
ist gleich der resultierenden thermischen Ausdehnung des Abstimmelements; ferner
ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Hohlraums gleich dem resultierenden
thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Komponenten, welche die Abmessungen definieren,
die den rechtwinklig gemessenen Abstand zwischen der Rotationsachse des Konstruktionsteils
und der geraden Linie bestimmen, die parallel zu der erzwungenen Bahn des Abstimmelements
ist und durch das Drehzentrum der Rolle bzw. des Gleitstücks gelegt ist, das an
dem Abstimmelement befestigt ist. Ferner ist der resultierende thermische Ausdehnungskoeffizient
der Komponenten, die den Abstand zwischen der Rotationsachse des Konstruktionsteils
und der Rotationsachse der Rolle bzw. des Gleitstücks, das an dem Konstruktionsteil
befestigt ist, festlegen, gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Hohlraums
und dem resultierenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Komponenten, die
die Abmessung bestimmen, welche gleich dem Abstand zwischen der geraden Linie, die
senkrecht zu der erzwungenen Bahn des Abstimmelements liegt und durch die Drehachse
des Konstruktionsteils verläuft, und der geraden Linie ist, die senkrecht zu der
erzwungenen Bahn des Abstimmelements verläuft und durch die Drehachse der Rolle
bzw. des Gleitstücks verläuft, welche bzw. welches an dem Konstruktionsteil befestigt
ist (Figur 2).
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Die Abweichung der Abmessungen des Hohlraumresonators und der Abstimmteile
aufgrund der Herstellung wurden derart kompensiert, daß die Stellung des Abstimmelements
und des frequenz linearen Einstellelements bezüglich des Führungsweges sowie die
Stellung der Drehachse des Konstruktionsteils bezüglich des Hohlraumes einstellbar
sind. Mittels der drei Einstellorgane kann der Nullfrequenz fehler an drei verschiedenen
Punkten der Frequenzcharakteristika eingestellt werden. Infolge der exakten linearen
Transformation
ist bei einer derartigen Einstellung der Frequenzfehler
aufgrund der Transformation in dem gesamten Arbeitsfrequenzband des Hohlraumresonators,
der bei reiner Basiswellenform betrieben wird, gleich null.
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Durch Schaltung eines Halbleiters mit negativem Widerstand, beispielsweise
eine Gunn-Diode, eine IMPATT-Diode oder eine Baritt-Diode zwischen den äußeren und
den inneren Leiter des Hohlraumresonators, der in TEM-Basiswellenform arbeitet,
kann gemäß der Erfindung ein frequenz linear abgestimmter Meßoszillator oder ein
Signalgenerator gebildet werden. In diesem Falle muß der Einstellbereich des Einstellelements
in einem solchen Ausmaß vergrößert werden, daß dadurch die Kompensierung des Reaktanzeffektes
des Halb leiters auf die Frequenzcharakteristik des Generators ermöglicht wird.
Statt eines Halbleiters kann eine Elektronenröhre, beispielsweise ein Reflex-Klystron,
verwendet werden, um den Meßoszillator oder Signalgenerator zu bilden.
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Die Konstruktionsteile der Ausführungsformen der Erfindung für TEM-,
TE- oder TM-Wellentypen können leicht und genau hergestellt werden, da sie eine
gerade geometrische Form besitzen oder aus zylindrischen oder mit Gewinde versehenen
Profilen geformt sind. Somit treten keinerlei technologische Schwierigkeiten auf,
wie sie bei der Herstellung von Elementen spezieller Formgebung auftreten, die bei
den bekannten Lösungen verwendet werden.
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Aufgrund der exakten linearen Eigenschaften bezüglich der Basiswellenform
wird die Frequenz genauigkeit nicht durch einen eigenen theoretischen Approximationsfehler
eingeschränkt.
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Bei dem Hohlraumresonator und -kreis, die jeweils entsprechend der
Erfindung abgestimmt werden, werden Fehler nur durch zusätzliche Reaktanten erzeugt,
beispielsweise die Reaktanz der Halbleiter bzw. der Elektronenröhren, die im Hohlraumresonator
eingebaut
sind oder an diesen angekoppelt sind, und gleichzeitig
dienen die Einstellelemente, die zur Kompensierung der Abweichungen bei der Herstellung
verwendet werden, ebenfalls zur Erzielung der Approximierung.
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Zur Kompensierung der Herstellungsabweichungen und zur optimalen Approximierung
der zusätzlichen Reaktanzen, falls solche auftreten, werden einige wenige Einstellelemente
verwendet. Folglich wird der Arbeitsaufwand zur Einstellung der Abstimmcharakteristik
gering.
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Für den Fall eines Austauschs des aktiven Elements (Halbleiter oder
Elektronenröhre), das in dem Hohlraumresonator benutzt wird, kann die Neueinstellung
der Frequenzcharakteristik mit der ursprünglichen Genauigkeit und bei geringstem
Arbeitsaufwand erfolgen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß neben der Linearsteuerung
eine Temperaturkompensation, die von der Frequenz unabhängig ist, ebenfalls ermöglicht
wird, im Gegensatz zu den bekannten Lösungen, wo die Temperaturkompensation nur
bei einer einzigen Frequenz gilt.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
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Von den Figuren zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Hohlraumresonators
für TEM-Basiswellenform; Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Hohlraumresonators für
TE- oder TM-Wellenform; und Fig. 3 einen Längsschnitt eines mit einem Reflex-Klystron
als aktivem Kreiselement aufgebauten Oszillators, der in TEM-Basiswellenform arbeitet.
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Figur 1 zeigt einen Hohlraum 1 mit einem inneren Leiter 2 desselben
und das Abstimmelement, das zweckmäßigerweise als berührungsfreier Kolben 3 ausgebildet
ist. Das aus Stäben 4, 7 und einer diese verbindenden Halterung 8 bestehende Abstandselement
ist an dem Kolben 3 befestigt. Die Verschiebung des Kolbens 3 wird auf einem Weg
erzwungen, der parallel zur Längsachse des Hohlraums 1 ist, und zwar mittels des
an der Halterung 8 gebildeten gradlinigen Führungsweges 9. Die Verschiebung des
Abstimmkolbens 3 auf diesem Weg wird mit einer Anordnung erreicht, bei der eine
an dem Stab 7 befestigte Rolle 10 an einem Konstruktionsteil 16 herabrollt, längs
eines Führungsweges 15, der in einer zur Zeichenebene rechtwinkligen Ebene gebildet
ist. Eine an einem Stab 12 befestigte Rolle 11 rollt gleichzeitig ebenfalls längs
des Führungsweges 15 nach unten. Die erzwungene Kopplung zwischen den Rollen 10,
11 und dem Führungsweg 15 wird zweckmäßigerweise durch Federn 23, 29 gewährleistet,
dergestalt, daß das Antriebsmoment aufgrund der Zugkraft der Feder 23, welches auf
die Rotationsachse 26 des Konstruktionsteils ausgeübt wird (wobei diese Achse senkrecht
zur Zeichenebene ist), stets grösser ist als das Moment im entgegengesetzten Sinn,
welches sich aus der Zugkraft der Spannfeder 29 ergibt.
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Die Rolle 11 und die mit dieser verbundene Stange 12 bewegen sich
längs des gerade geführten Weges, der durch eine Buchse 13 und eine Gewindemanschette
19 festgelegt ist, und sind dabei in erzwungener Kopplung mit dem Führungsweg 15
des Konstruktionsteils.
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Der gradlinig geführte Weg des Stabes 12 liegt zweckmäßigerweise unter
einem Winkel von 900 zum Weg des Abstimmelements (jeder von n. 1800 verschiedene
Winkel ist möglich, wobei n = eine reelle Zahl). Die Winkelverschiebung der Gewindemanschette
19 und eines daran befestigten Drehknopfes 20 sowie einer Skala 21 ist durch die
erzwungene Kopplung zwischen der Gewindespindel 18
an dem Stab
12 und der Gewindemanschette 19 proportional zur Verschiebung des Stabes 12 längs
des Weges und ist ferner aufgrund der erwähnten Zwangskopplung direkt proportional
der Änderung der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators, welche durch Verschiebung
des Abstimmkolbens 3 bewirkt wird. Infolge der direkten Proportionalität kann die
Skala 21 mit linearer Frequenzeinteilung ausgebildet werden, wobei zum Ablesen eine
Markierung 22 verwendet werden kann. Der Proportionalitätsfaktor wird durch den
Modenindex des Hohlraumresonators festgelegt (d.h.
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den Quotienten der Länge des Hohlraums und der Resonanzwellenlänge),
durch die Lichtgeschwindigkeit, den Gang der Gewindespindel 18, die Länge des Bogens
der Skala 21 sowie durch das Produkt der Abstände, die jeweils von der Rotationsachse
26 des Konstruktionsteils 16 zu den Rotationsachsen der Rollen 11, 12 gemessen werden.
Zur Einstellung letzterer dient eine Halterung 25, die als Lagerung der Rotationsachse
26 ausgebildet ist und imstande ist, sich längs des in der Halterung 27 gebildeten
und darin befestigbaren Weges 24 zu bewegen. Die Ausrichtung des Abstimmkolbens
3 bezüglich der Rotationsachse der Rolle 10 erfolgt durch Verschiebung der Stange
7 in der Halterung 5 in Richtung der Längsachse des Hohlraumes, wobei die eingestellte
Stellung mit einer Schraube 6 fixiert werden muß. Durch Drehung der Skala 21 auf
der Gewindemanschette 19 und Befestigung derselben kann die Relativstellung der
Rotationsachse der Rolle 11 und der Skala 21 eingestellt werden. Mittels der drei
oben erwähnten Einstellelemente kann die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators
an drei verschiedenen Punkten auf den vorgeschriebenen Wert eingestellt werden,
und somit kann der Frequenz fehler, der sich aus Herstellungstoleranzen der Abstimmteile
ergibt, ausgeschaltet werden. Bei Hohlraumresonatoren, die mit reinem TEM-Wellentyp
arbeiten, ergeben die vorstehend erwähnten Einstellungen einen theoretischen Frequenzfehler,
der in dem gesamten Abstimmbereich gleich null ist, und ferner kann ein exakt linearer
Zusammenhang zwischen der Resonanz frequenz und der Stellung der Stange 12 und der
Skala 21 erzielt werden.
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Die Halterung 14 dient zur Befestigung der Konstruktionsteile für
die Abstimmung des Hohlraumresonators sowie zur Lagerung des grade geführten Weges
am Stab 12. Eine Koppelschleife 28 dient zum Ein- und Auskoppeln der elektromagnetischen
Signale aus dem Hohlraumresonator; anstelle dieser Schleife können ein oder mehrere
Koppelelemente mit einer Irisblende oder eine Sonde verwendet werden. Statt der
am Drehknopf angebrachten Frequenzskala kann eine Skala mit Digitalablesung mit
einer Ziffernanzeigenscheibe verwendet werden, die von der Achse des Knopfes über
eine Zahnradübertragung angetrieben wird.
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Bei dem in Figur 2 dargestellten Hohlraumresonator ist das Abstandselement,
das aus den Stäben 4 und 7 besteht.,, mit dem Abstimmkolben 3 verbunden. Die Verschiebung
des Abstimmkolbens 3 wird längs eines gradlinigen Weges erzwungen, der parallel
zur Längsachse des Hohlraums ist, und zwar mittels des gradlinig geführten Weges
9, der an der Halterung 8 gebildet ist. Die Verschiebung des Abstimmkolbens 3 auf
diesem Weg wird bestimmt durch eine Anordnung, bei der die an dem Stab 7 befestigte
Rolle 10 auf dem am Stab 12 gebildeten Führungsweg 15 hinabrollt, während das Konstruktionsteil
sich um die Rotationsachse 26 dreht, welche rechtwinklig zur Zeichenebene ist, gemeinsam
mit dem Stab 12; der Stab 12 führt seinerseits eine Linearbewegung bezüglich des
Konstruktionsteils 16 aus, wobei die Verschiebung durch die Rollbewegung längs des
anderen gradlinigen Führungsweges 17 festgelegt ist, welcher rechtwinklig zur Achse
des Hohlraumresonators ist und an der Halterung 14 gebildet ist, ausgeführt durch
die Rolle 11, die-zweckmäßigerweise mittels eines Abstandselements 44 an der Betätigungsstange
befestigt ist.
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Die erzwungene Kopplung zwischen der Rolle 10 und dem Führungsweg
15 sowie zwischen der Rolle 11 und dem zweiten Weg 17 wird durch einen Spannring
bzw. eine Spannfeder 29 gewährleistet.
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Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Führungsweg 15
nicht direkt an dem Konstruktionsteil 16 gebildet, sondern auf dem Stab 12. Ein
auf dem Konstruktionsteil selbst gebildeter Weg würde dieselbe Abstimmqualität ergeben,
weil das Konstruktionsteil und der Stab zusammen um die Rotationsachse 26 gedreht
werden. Die Linearverschiebung des Stabes 12 bezüglich des Konstruktionsteils 16
wird durch die Gewindespindel 18 bewirkt, die drehbar in der Gewindemanschette 19
angeordnet ist, welche mit dem gradlinigen Weg versehen ist, während der Drehknopf
20 an der Spindel befestigt ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Gewindemanschette 19 an dem Stab
12 gebildet, und nicht an dem Konstruktionsteil, das mit dem Drehkopf verbunden
ist, und folglich ist die Gewinde spindel 18 an dem Konstruktionsteil gebildet,
das mit dem Drehknopf statt mit dem Stab 12 verbunden ist. Es ist offensichtlich,
daß die frequenz lineare Abstimmung gemäß der Erfindung auch mit entgegengesetzter
Anordnung von Spindel und Gewindemanschette bzw. -mutter erzielt werden kann.
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Die Achsen der Rollen 10, 11 sowie die Rotationsachse 26 sind in einer
zur Zeichenebene senkrechten Ebene angeordnet. In diesem Falle ist die Linearverschiebung
des Stabes 12 bezüglich des Konstruktionsteils 16 und folglich die Winkelverschiebung
des Drehknopfes 20 direkt proportional zur Resonanz frequenz des Hohlraumresonators,
was bedeutet, daß der Drehknopf mit einer frequenzlinearen Skala versehen werden
kann. Die Ablesung der Skala erfolgt anhand einer Markierung 22. Ein Schwenkstück
32, das sich in einem am Konstruktionsteil 16 gebildeten Ausschnitt bewegt, verhindert
das Abdrehen des Stabes 12 von dem Konstruktionsteil 16.
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Eine weitere Vorbedingung für die frequenzlineare Abstimmung besteht
darin, daß der Abstand zwischen der Rotationsachse 26 des Konstruktionsteils 16
und der Längsachse des Hohlraumresonators
gleich dem Produkt der
halben Wellenlänge des Schwingungsmodes, d.h. des Wellentyps des Hohlraumresonators,
und des Modenindex entsprechend der Längsachse des Hohlraums sein soll (d.h. die
Anzahl der an der Längsachse auftretenden Halbperioden der Feldstärke), und daß
die Projektion des Abstandes zwischen der Rotationsachse 26 und der auf die Längsachse
des Hohlraumresonators fallenden Rotationsachse der Rolle 10 gleich der elektrischen
Länge des Hohlraums sein soll, d.h. gleich dem Abstand zwischen der Abschlußplatte
45 des Hohlraumes und dem Kolben. Um diese Bedingungen zu erfüllen, ist die Halterung
25 dergestalt geformt, daß sie bezüglich der Hohlraumachse einstellbar ist, während
die eingestellte Stellung mit Hilfe einer Schraube 30 fixiert wird, und ferner kann
der Stab 7 in dem Stab 4 verschoben werden, während die Stellung des letzteren mittels
einer Schraube 6 fixiert werden muß. Der Proportionalitätsfaktor der frequenzlinearen
Verschiebung des Stabes 12 wird festgelegt durch die Grenzwellenlänge des Arbeitswellentyps
des Hohlraumresonators, die Lichtgeschwindigkeit und den Abstand zwischen der Ebene
des Führungsweges 17 und der Ebene, die durch die Mittellinie der Rotationsachse
26 verläuft und rechtwinklig zur Achse des Hohlraumes ist.
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Letztere kann durch Verschiebung der Halterung 1 4 parallel zur Längsachse
des Hohlraums eingestellt werden, wodurch die Stellung der Halterung 14 mittels
einer Schraube 31 fixiert werden kann.
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Bei der Bestimmung des Proportion alitätfak tors der Skaleneinteilung
können neben oben erwähntem auch der Gang der Spindel 18 und die Bogenlänge der
Skala am Drehknopf berechnet werden.
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Durch Positionierung des Stabes 7, der Rotationsachse 26, der Halterung
14 und der Skala am Drehknopf 20 kann die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators
auf den vorgeschriebenen Wert eingestellt werden, und zwar wenigstens an drei verschiedenen
Punkten des Arbeitsbereiches des Hohlraumresonators, wodurch somit Frequenz fehler
ausgechaltetwerden, die von den Herstellungstoleranzen des Hohlraumresonators und
der Abstimmteile herrühren.
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Bei Hohlraumresonatoren, die mit reinem TE- oder TM-Wellentyp arbeiten,
kann durch Ausführung der beschriebenen Einstellung nicht nur ein verschwindender
theoretischer Frequenz fehler innerhalb des gesamten Abstirelbereiches erzielt werden,
sondern auch eine lineare Abhängigkeit von der Stellung des Stabes 12, d.h.
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der damit verbundenen Skala.
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Die Irisblende 35, die den mit der Abschlußplatte 34 des Hohlraums
verbundenen Wellenleitraum 33 mit dem Hohlraum selbst verbindet, und die Koppelschlaufe
28 dienen jeweils zum Ein- und Auskoppeln des elektromagnetischen Signals an den
Hohlraumresonatoren. Selbstverständlich können statt dieser Teile eines oder mehrere
an sich bekannte Koppelelemente verwendet werden.
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Statt der vereinfachten Lösung mit am Drehknopf angebrachter Skala,
welche in Figur 2 dargestellt ist, kann eine Frequenzskala mit Digitalanzeige zum
Ablesen der Resonanz frequenz verwendet werden, welche zweckmäßigerweise über Zahnräder
von der Achse des Drehknopfes angetrieben wird.
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Der in Figur 3 gezeigte erfindungsgemäße, mit einem Reflex-Klystron
aufgebaute Oszillator dient zur Erzeugung einer Schwingung des TEM-Basiswellentyps.
Bei der Beschreibung der Ausführungsform nach Figur 3 werden zur Vereinfachung nur
die Teile beschrieben, die von der Ausführungsform nach Figur 1 verschieden sind.
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Im Inneren des inneren Leiters des Hohlraums 1 ist eine Bohrung angebracht,
zum Teil zur galvanischen Verbindung eines der Hohlraumgitter 38 des Reflex-Klystrons
36 mit dem Anschluß des inneren Leiters 2 und zum anderen zur Ermöglichung der Führung
der Betriebsspannung zu dem Reflektorelektrodenanschluß 39 des Reflex-Klystrons
innerhalb des internen Leiters 2.
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Das andere Hohlraumgitter 37 des Reflex-Klystrons 36 ist galvanisch
mit dem äußeren Leiter des Hohlraums verbunden. Die Spannung für den Reflektor des
Reflex-Klystrons, die Beschleunigungsspannung für die Einheit 40, die Spannung für
die Elektrode (Gitter bzw. Wehnelt-Zylinder) des Strahlstrom-SteuerungselemenLs
41 und die Heizspannung für die Einheit 42 weraen von Versorgungseinheiten 43 geliefert.
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Bekanntlich wird die Schwingungsfrequenz des von einem Hohlraum resonator
abgestimmten Oszillators grundlegend durch die Resonanzfrequenz des Hohlraums bestimmt.
Die Charakteristik des aktiven Kreiselements, in diesem Falle ein Reflex-Klystron,
hat nur einen relativ kleinen Einfluß, so daß die Abstimmungscharakteristik des
in Figur 3 gezeigten Oszillators ähnlich derjenigen des Hohlraumresonators in Figur
1 ist, d.h. sie ist mit guter Approxmierung linear. Die Abweichung von der Linearität
beruht auf dem Beitrag des aktiven Kreiselements. Diese Abweichung kann bei drei
verschiedenen Frequenzen des Abstimmbereiches annulliert werden, und zwar unter
Verwendung derselben Einstellelemente, die zur Ausschaltung der UnteEchiede aufgrund
der Herstellungstoleranzen des Hohlraumresonators und der Abstimmteile sind.
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Bei dem in Figur 3 gezeigten Oszillator dienen die Ausrichtung der
Halterung 25, des Stabes 7 und der Skala 21 - neben einer Aufgabe, die identisch
ist mit der Funktion der entsprechenden Einstellelernente des in Figur 1 gezeigten
Hohlraumresonators -gleichzeitig zur Approximierung mit drei Nullpunkten im Hinblick
auf den Beitragseffekt des aktiven Kreiselements.
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Der erfindungsgemäße Signalgenerator, der mit TEM-Wellentyp arbeitet
und mit dem Hohlraumresonator abgestimmt wird, unterscheidet sich von dem in Figur
3 dargestellten Oszillator durch PegelmessuDgs-, Steuerungs- und Auftrennschaltungen,
die in den Koppelkreisen verwendet werden. Da derartige Schaltungen wohlbekannt
sind, kann eine detaillierte Beschreibung entfallen.
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Bei dem in Figur 3 gezeigten Oszillator können aktive Kreiselemente,
Halbleiter (beispielsweise Gunn-Dioden, IMPATT-Dioden, Baritt-Dioden, Transistoren
usw.) anstelle des Reflex-Klystrons verwendet werden, und ferner können statt der
in Figur 3 gezeigten Versorgungs- und Modulationseinheiten solche verwendet werden,
die für den Betrieb des Halbleiter-Kreiselements dienen, so daß ein Oszillator bzw.
Signalgenerator entsteht, der dieselben Eigenschaften bezüglich der frequenz linearen
Abstimmung besitzt, wie anhand von Figur 3 beschrieben wurde.