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Mikrowellen-Netzwerk mit einer Temperaturkompensation
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Netzwerk mit frequenzbestimmenden
Resonanzkreisen, die Kompensationselemente zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten
enthalten und auf ein Verfahren zur Durchführung der Temperaturkompensation.
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Durch die DT-OS 2 538 779 ist ein solcher Mikrowellen-Hohlraumresonator
bekannt, bei dem zur Kompensation des positiven Temperaturkoeffizienten des Hohlraumresonators
an einer Innenfläche ein keramischer Körper mit negativem Temperaturkoeffizienten
angeordnet ist.
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Bei Oszillatoren, Resonatoren, Frequenzdiskriminatoren, Filtern und
ähnlichen Netzwerken mit toleranzbehafteten Temperaturkoeffizienten besteht das
Problem, in einfacher Weise eine sehr genaue Temperaturkompensation der frequenzbestimmenden
Schwingkreise zu erreichen. Bei der Temperaturkompensation durch Verbindung von
Materialien verschiedener Längenausdehnung, z.B. mit Bimetallstreifen, oder mit
Materialien verschiedener Wärmeausdehnung ist, abgesehen von einem zum Teil hohen
mechanischen Aufwand, kein Ausgleich von TK-Toleranzen möglich. Dasselbe trifft
für die Kompensation mit Keramiken verschiedener Temperaturkoeffizienten zu. Die
Lösung, Frequenzkonstanz durch Materialien kleinster Wärmeausdehnung zu erreichen,
wie Hohlraumresonatoren für Oszillatoren, Filter
usw. aus Superinvar
oder LC-ResonanzXreise mit Invarspulen erfordert hohe Herstellungskosten und besitzt
für viele Anwendungen nicht die ausreichende Temperaturunabhängigkeit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Netzwerk der einleitend
beschriebenen Art ein Lösung anzugeben, für eine in einfacher Weise durchfuhrbare
sehr genaue Kompensierung positiver oder negativer Temperaturkoeffizienten auch
von sehr großer Toleranz. Es soll dabei auch der stark streuende individuelle Einfluß
von angeschlossenenen aktiven und passiven Bauelementen, z.B. der eines Oszillatortransistors
auf den Oszillatorresonanzkreis, in seinem Temperaturgang mit kompensierbar sein.
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Bei einem Netzwerk mit frequenzbestimmendenResonanzkreisen, die Kompensationselemente
zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten enthalten, wird diese Aufgabe gemäß
der Erfindung in der Weise gelöst, daß die Kompensationselemente aus wenigstens
einem dielektrischen oder magnetischen Körper mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten
bestehen, die im magnetischen oder elektrischen Feld des Resonanzkreises derart
einstellbar angeordnet sind, daß der Temperaturkoeffizient des Resonanzkreises einschließlich
gegebenenfalls angeschlossener aktiver und passiver Bauteile durch Frequenzverstimmung
beliebig genau kompensierbar ist.
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Bei einem Netzwerk mit einem Hohlraumresonator als frequenzbestimmendem
Resonanzkreis bestehen die Kompensationselemente in vorteilhafter Weise aus einem
in den Innenraum des Hohlraumresonators eintauchenden, in seiner Eintauchtiefe einstellbaren
Kompensationsteil, wobei das Kompensationsteil auf einer Schraube befestigt, insbesondere
aufgelötet ist.
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Bei einem Netzwerk mit einem MIC-Resonanzkreis mit einem mit Leiterbahnen
versehenen,auf einer metallischen Trägerplatte aufliegenden Substrat weist in vorteilhafter
Weise die Trägerplatte auf der dem Substrat zugekehrten Seite einer der Leiterbahn
gegenüberliegend angeordnete, einen Resonanzraum bildende
Ausnehmung
auf, in die das Kompensationselement von der Unterseite der Trägerplatte her einstellbar
eintaucht.
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Bei einem Netzwerk mit einer MIC-Leitung mit einem auf diese aufgesetzten
dielektrischen Resonator ist als Kompensationselement in vorteilhafter Weise eine
exzentrisch gelagerte, über die Leiterbahn schwenkbare und/oder sich dem Resonator
mehr oder weniger stark nähernde Scheibe vorgesehen.
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Bei einem Verfahren zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten wird
erfindungsgemäß das Netzwerk zunächst bei einer ersten Temperatur, z.B. Raumtemperatur,
mittels des Körpers aus dielektrischem Material um eine geringe Frequenz verstimmt,
bei der eine ausreichende Temperaturkompensation der Mehrzahl der betreffenden gleichartigen
Netzwerke erwartet wird und dann bei einer zweiten, von der ersten verschiedenen
Temperatur auf eine mögliche Frequenzabweichung im Vergleich zur Frequenz bei der
ersten Temperatur überprüft und bei einer Abweichung des Temperaturkoeffizienten
über den zulässigen Wert werden eine oder mehrere weitere gezielte Frequenzverstimmungen
des Netzwerkes vorgenommen.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen Halbleiteroszillator, Fig. 2 in einem Diagramm
Kurven des Temperaturkoeffizienten des Halbleiteroszillators, Fig. 3 und Fig. 4
einen MIC-Resonanzkreis Fig. 5 und Fig. 6 eine MIC-Leitung mit einem Resonator und
Fig. 7 ein Mehrkreisfilter jeweils mit Temperaturkompensation.
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Der in Fig. 1 dargestellte Halbleiteroszillator enthält als frequenzbestimmendes
Element einenHohlraumresonator 1, der mit
einem in eine stirnseitige
Bohrung des Resonatortopfes eingesetzten Keramikstift 2 in seiner Frequenz einstellbar
ist. Im Innenraum des Resonators ist auf der bodenseitigen Platte 8 ein Halbleiterelement
3, beispielsweise ein Transistor angeordnet, dessen Spannungszuführungen 5, beispielsweise
Durchführungskondensatoren oder - Filter, in die Bodenplatte eingesetzt sind. Sowohl
das aktive Element 3 mit seiner Ankopplung wie auch der Resonator 1, der beispielsweise
aus Messing besteht, der Keramikstift 2 und auch die Leistungsauskopplung 4 bestimmen
die Temperaturabhängigkeit der Oszillatorfrequenz, und zwar einerseits durch die
unterschiedlichen temperaturabhängigen Längen- und Lageänderungen, andererseits
durch die temperaturabhängige Impedanzänderung des aktiven Elementes.
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Die Temperaturkompensation erfolgt erfindungsgemäß mit einem in den
Innenraum des Hohlraumresonators eintauchenden, in seiner Eintauchtiefe einstellbaren
zylinderförmig ausgebildeten Körper 6 aus dielektrischem Material, beispielsweise
Keramik mit negativem oder positivem Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante.
Er ist beim Ausführungsbeispiel auf eine konterbare Schraube 7 aufgelötet. Mit ihm
kann die Frequenz des Oszillators sehr fein innerhalb eines ausreichenden Frequenzbereiches
geändert werden. Je mehr der Oszillator durch die N-Keramik oder P-Keramik verstimmt
wird, umso mehr bestimmt der Temperaturkoeffizient der Keramik den Temperaturkoeffizienten
TKodes Gesamtoszillators.
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Der Zusammenhang zwischen der Frequenzverstimmung und dem Temperaturkoeffizienten
ist in der graphischen Darstellung nach Fig. 2 wiedergegeben und soll anhand dieser
Figur näher erläutert werden. Für #fR = 0 ist in dem Diagramm der Temperaturkoeffizient
des unkompensierten Oszillators, d.h. ohne Verwendung eines Kompensationselementes
eingetragen, der entsprechend den Toleranzen der beteiligten Oszillatorbauteile
streuen kann, was durch die Linienschar aus den durchgehenden Linien 1 und 2 wiedergegeben
ist. Die Linie 1 schneidet die y-Achse beim Wert TKO1, das ist der mittlere Temperaturkoeffizient
der Oszillatorserie, die Linie 2 schneidet die y-Achse bei TK02, das ist die angenommene
Abweichung des Temperaturkoeffizienten
eines einzelnen Oszillatorexemplares.
Mögliche Streuungen des Temperaturkoeffizienten des Kompensationselementes sind
für die Linie 2 strichliert eingezeichnet, wobei die strichlierten Linien mit größerer
oder kleinerer Steigung als die Linie 2 verlaufen.
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Die Temperaturkompensation des Oszillators erfolgt in der Weise, daß
der Oszillator bei einer ersten Temperatur T1, z.B. bei Raumtemperatur, mit dem
Kompensationselement 6, beispielsweise einer N-Keramik, um eine Frequenz #fR1 verstimmt
wird, bei der erwartet wird, daß die Mehrzahl aller Oszillatorexemplare bereits
ausreichend temperaturkompensiert ist.
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Bei einer anderen Temperatur T2 wird nun überprüft, ob die Frequenzabweichung
im Vergleich zur Frequenz bei der ersten Temperatur T1 und damit der Temperaturkoeffizient
TKo noch zu hoch ist. Die positive Abweichung des Temperaturkoeffizienten vom Nullwert
ist mit #TK bezeichnet. Ist, wie im dargestellten Beispiel, der Temperaturkoeffizient
TK0 zu hoch, dann wird die Oszillatorfrequenz mit dem Kompensationselement 6 auf
#fR2 verstimmt. Bei einer geforderten Kompensationsgenauigkeit von beispielsweise
TK <2,5 . . 10#6 ist nach dieser Korrektur bereits keine weitere Uberprüfungmehr
notwendig.
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Bei einer noch höheren Kompensationsgenauigkeit für einen TK-Wert
von beispielsweise <2 .10#7 K#1, wie sie z.B. für resonatorstabilisierte Richtfunkträgerversorgungen
erforderlich ist, wird der Kompensationsvorgang wiederholt, um auch die Temperaturkoeffizienten-Toleranz
der kompensierenden N-Keramik, die in Fig. 2 durch die gestrichelten Linien wiedergegeben
ist, zu erfassen.
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Fig. 3 und 4 zeigen in einem Querschnitt und einer Draufsicht als
Anwendungsbeispiel für ein Mikrowellennetzwerk mit einstellbarer Temperaturkompensation
einen MIC-Resonanzkreis. Dabei ist ein MIC-Substrat 9 mit einer auf seiner Oberseite
aufgebrachten Leiterbahn 10 auf einer metallischen Trägerplatte 11 aufliegend angeordnet.
Die Trägerplatte 11 weist an der dem MIC-Substrat 9 zugekehrten Seite, gegenüberliegend
der Leite@@ bahn 10, eine Ausnehmung 12 auf, die einen Hohlraumresonator
bildet.
Zur elektrischen Abdichtung des Resonanzraumes 12 nach außen ist im Bereich der
Auflagefläche zwischen MIC-Substrat 9 und Trägerplatte 11 eine Masse-Metallisierung
13 angebracht.
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Zur Temperaturkompensation ist ein Stift 14 aus NDK-Eeramik vorgesehen,
der von der Unterseite der Trägerplatte 11 her in den Resonanzraum eintaucht. Der
Keramikstift 14 ist in seiner Eintauchtiefe einstellbar.
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Fig. 5 und 6 zeigen in einem Querschnitt und einer Draufsicht eine
MIC-Leitung mit einem Resonator. Dabei ist ein MIC-Substrat 9 mit einer auf seiner
Oberseite aufgebrachten Leiterbahn 10 auf einer metallischen Trägerplatte 11 angeordnet.
Auf der Leiterbahn 10 ist ein dielektrischer Resonator 16 zylinderförmiger Gestalt
aufgesetzt. Als Kompensationselement ist hierbei eine Keramikscheibe 15 vorgesehen,
die exzentrisch in der Trägerplatte 11 gelagert ist und somit mit einer mehr oder
weniger großen Fläche über die Leiterbahn 11 geschwenkt werden kann und sich dabei
den Streufeldern des dielektrischen Resonators mehr oder weniger stark nähert.
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Fig. 7 zeigt als Anwendungsbeispiel für Mikrowellennetzwerke mit einstellbarer
Temperatur-Kompensation ein Mehrkreisfilter, und zwar ein Drei-Kreis-Filter. Die
Resonanzkreise 17, 18, 19 bestehen aus Hohlraumresonatoren, die nebeneinanderliegend
angeordnet und über in den Trennwänden angeordnete Koppelöffnungen 26, 27 miteinander
gekoppelt sind. Im ersten Resonanzkreis 17 ist eine Einkopplung 28 vorgesehen, im
dritten Resonanzkreis 19 eine Auskopplung 29. Zur mechanischen Frequenz-Abstimmung
ist in jedem der Resonanzkreise 17, 18, 19 ein in den Hohlraumresonator eintauchender
Abstimmstift 20, 21, 22 vorgesehen, die in ihrer Eintauchtiefe einstellbar sind.
Zur Temperatur-Eompensation der Resonanzkreise ist Jeweils ein Stift 23, 24, 25
aus NDK-Keramik mit negativem Temperaturkoeffizienten vorgesehen, die in ihrer Eintauchtiefe
in die Hohlraumresonatoren 17, 18, 19 einstellbar ausgebildet sind.
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Mit dem erfindungsgemäßen, stetig einstellbaren Kompensationsverfahren
ist eine sehr genaue Kompensation möglich, im Prinzip
bis auf einen
Temperaturkoeffizienten TK = O. Die Grenze des Kompensationsverfahrens ist allein
durch die nichtlineare Abhängigkeit der Frequenz des Oszillators von der Temperatur
im Nutztemperaturbereich gegeben.
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Als kompensierende Materialien können je nach Bedarf auch P-Keramiken,
also Keramiken mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante
oder Dielektrika auf anderer Basis ebenso wie magnetische Werkstoffe, z.B.
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YIG-Kristalle, eingesetzt werden. Es können also sowohl positive wie
auch negative Temperaturkoeffizienten kompensiert werden.
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Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Kompensationsverfahrens
bestehen darin, daß die Kompensation von positiven und negativen Temperaturkoeffizienten
kontinuierlich und sehr #ein erfolgen kann, wobei sie nur durch die nichtlineare
Temperaturabhängigkeit der Temperaturkoeffizienten begrenzt ist, daß mit den Kompensationselementen
sehr große TK-Toleranzen ausgeglichen werden können, so daß z.B. bei einem Mikrowellenoszillator
alle auftretenden TK-Toleranzen von Halbleiter und Resonanzkreis ausgleichbar sind
und die Temperaturkompensation mit einem einfach herstellbaren Kompensationselement
mit geringem Abgleich und Meßaufwand durchführbar ist. Das Kompensationsverfahren
ist, unabhängig von der Frequenz, für sehr viele Anwendungsfälle einsetzbar, z.B.
bei Verstärkern und Oszillatoren mit verschiedenen Halbleiterelementen (Transistoren,
GUNN-Elementen, Impattdioden, Trioden, Kystrons usw.) und verschiedener Technik
(IC-, Koaxial- oder Hohlleitertechnik), bei Filtern der verschiedensten Art und
bei Diskriminatoren.
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6 Patentansprüche 7 Figuren