DE2835084C3 - Hochstfrequenzfilter mit Kugelresonator aus einkristallinem gyromagnetischen Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Filter, die aus Kugeln aus einkristallinem, gyromagnetischen Material bestehende Resonatoren enthalten und insbesondere für Betriebsfrequenzen von einigen hundert Megahertz bis zu mehr als 40 GHz bestimmt sind.

Solche Filter sind bekannt und Gegenstand von zahlreichen Untersuchungen gewesen, die zu verschie- 4 > denen Ausfuhrungsformen geführt haben. Als Beispiel sei die US-PS 32 99 376 genannt, die die physikalischen Grundlagen des Betriebes dieses Typs von Filter beschreibt und die ersten Aufsätze angibt, die auf diesem Gebiet veröffentlicht worden sind. Seit dieser w Zeit sind zahlreiche Verbesserungen vorgenommen worden, sowohl hinsichtlich der Art des Materials (Yttriumgranat ist durch einen Gallium- und Yttriumgranat ersetzt worden) als auch hinsichtlich des Aufbaus des eigentlichen Filters. Ein Aufsatz, der in den τ> Transactions des IEEE MTT-18, Nr. 2, Februar 1970, S. 105— 111, von H. Berger, R. I. Harrisson und S. P. Denker, veröffentlicht worden ist, ist das Ergebnis der Untersuchung des Aufbaus eines Dreiplattenfilters dieses Typs, der Kugeln enthält, die auf einem to dielektrischen, unmagnetischen Träger, der sich frei um seine Längsachse drehen kann, befestigt und mit dem Höchstfrequenzfeld durch zwei unter einem Winkel von 90° angeordnete Spulen aus dünnem Draht gekoppelt sind, und Einrichtungen zum Aufbauen des für die b^r> Magnetisierung der Kugeln erforderlichen Magnetfeldes; damit befaßt sich auch ein Aufsatz, der in derselben Zeitschrift, Nr. 4, 1970, S. 205-212, veröffentlicht ist.

Die Betriebsfrequenz dieser Filter wird mit Hilfe des in der Nähe der Kugeln durch einen Elektromagneten aufgebauten Magnetfeldes eingestellt

Die erhöhten Anforderungen hinsichtlich der Frequenzstabilität und hinsichtlich der Verringerung der Einfügungsverluste, insbesondere bei den niedrigsten Frequenzen, haben die Hersteller veranlaßt, die gyromagnetischen Kugeln auf einer konstanten Temperatur oberhalb der vorgesehenen maximalen Umgebungstemperatur zu halten. Es mußten daher in das Filter Heizeinrichtungen und Einrichtungen zur Stabilisierung der Temperatur des gyromagnetischen Materials eingebaut werden.

Die Erfindung schafft insbesondere eine Filteranordnung, in der diese Einrichtungen besonders wirksam sind.

Das Problem, die Kugel auf einer konstanten Temperatur zu halten, wird durch die Beschränkungen kompliziert, die sich durch die Betriebs- und Hersteilungsbedingungen des Filters ergeben: es ist nämlich erforderlich, zur Verringerung des Platzbedarfes der Anordnung einen magnetischen Kreis zu benutzen, der so kompakt wie möglich ist; die Verringerung der Größe der Elektromagneten führt bekanntlich aber zu einer Verkleinerung des Luftspalts. Es ist daher weder möglich, die Kugeln mit einem Wärmeschutz zu versehen, noch möglich, ein Heizelement in der unmittelbaren Nähe derselben anzuordnen. Es muß deshalb die Wärmequelle in einer gewissen Entfernung von den Kugeln längs ihres Trägers angeordnet werden. Es ist dann wesentlich, den Wärmewiderstand, der zwischen der Wärmequelle und dem zu erwärmenden Objekt angeordnet ist, auf das Minimum zu verringern. Es ist zu diesem Zweck bereits vorgeschlagen worden, die Träger der Kugeln aus gesintertem Glucin (oder Berylliumoxid) herzustellen. Diese Lösung hat aber den Nachteil, daß sie teuer ist. Außerdem bringt dieses Material die Gefahr einer Intoxikation bei der maschinellen Bearbeitung und der Montage der Teile mit sich, wobei es sich um Operationen handelt, die durch die Zuverlässigkeit des Materials heikel gemacht werden. Darüber hinaus erfordert die Konstanz der Temperatur der Kugeln eine geregelte Wärmequelle.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die Differenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der der Kugel beim Betrieb des Filters bis auf 15⁰C zu verringern. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Kugel in einer Hohlkugelkalotte befestigt ist, die in eines der Enden eines zylindrischen Trägers eingearbeitet ist, der aus einem einkristailinen Material besteht und poliert ist, während das zweite Ende des Trägers in einer metallischen Fußplatte angeordnet ist, die einen Kaltleiter trägt.

Der Träger der Kugeln weist somit eine Zone der Berührung mit der Kugel auf, die als Hohlkugelkalotte gearbeitet ist, deren Oberflächenzustand Rauhigkeiten hat, die unter 0,8 μιη bleiben, wobei es sich bei diesem Wert um die Rauhtiefe Ra handelt, die durch einen Rauhigkeitstest und gemäß der englichen Norm BS1134-1950 und der amerikanischen Norm ASA B-46-1955 ermittelt wird. Die einkristallinen Granatkugeln, die üblicherweise in den Filtern benutzt werden, sind so poliert, daß sie Rauhigkeiten aufweisen, welche unter 0,1 μπι (Wert Ra) bleiben, so daß die gegenseitige Anlage der beiden Oberflächen einen Wärmekontakt hoher Qualität gewährleistet, der die Temperaturdifferenz zwischen der geregelten Wärmequelle und der Kugel auf einen Wert verringert, der 15° C erreichen

kann. Diese Verringerung der Temperaturabweichung, die einer Erhöhung der Genauigkeit der Temperatur der Kugel entspricht, drückt sich durch eine Verbesserung der Stabilität der Mittenfrequenz des Filters in einem großen Umgebungstemperaturbereich aus. Beispielsweise weist ein Filter nach der Erfindung in dem Bereich von 12 bis 18 GHz eine Frequenzstabilität von über 10 MHz zwischen -40⁰C und +85°C auf. Diese Stabilität ei'ordert bekanntlich, daß die Kugel in dem Magnetfeld so ausgerichtet wird, daß die Änderungen der Sättigungsinduktion in Abhängigkeit von der Temperatur bestmöglich durch die Änderungen des Anisotropiefeldes unter denselben Bedingungen kompensiert werden. Es ist klar, daß die erzielte Leistungsfähigkeit von dem spezifischen Wärmewiderstand des Trägermaterials abhängig ist

in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Träger aus Ki'rund (Aluminiumoxid).

Gemäß der Erfindung ^ht die Kugel in einer Schale in Form einer Kugelkalotte, die in eines der Enden des als zylindrische Stange ausgebildeten Trägers eingearbeitet ist, dessen anderes ßnde sich in einer Kupferbüchse drehen kann, an der die Wärmequelle befestigt ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Wärmequelle aus einem Volumenwiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (Kaltleiter), der eine Sprungtemperatur hat, die um weniger als 20°C die Temperatur überschreitet, auf der die Kugel gehalten werden soll. Die Wahl dieses Wertes ist durch die Art des die Kugel bildenden Materials festgelegt, Die Kugel wird in an sich bekannter Weise auf einer Temperatur gehalten, die größer als die maximale Umgebungstemperatur ist, welche mit der gewünschten Leistungsfähigkeit (hinsichtlich der Verluste und der Stabilität) des Filters unter Berücksichtigung der Änderungen der Linienbreite und der Sättigungsinduktion des die Kugeln bildenden Materials mit der Temperatur kompatibel ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Gesamtschema eines Filters nach der Erfindung,

die F i g. 2a und 2b in größerem Maßstab Ansichten eines bekannten bzw. eines erfindungsgemäßen Resonatorträgers,

Fig. 3 eine Duichlaßcharakteristik eines Filters nach der Erfindung,

Fig.4 die Änderungen der Mittenfrequenz von verschiedenen Filtern, die der Leistung bei dem Begrenzungsschwellenwert bei verschiedenen Temperaturen der Wärmequelle entsprechen, und

F i g. 5 eine Tabelle von ein Filter nach der Erfindung kennzeichnenden Werten bei verschiedenen Umgebungstemperaturen und in verschiedenen Frequenzbereichen.

F i g. 1 zeigt schematisch einen Eingangskoaxialstekker 1, der über einen Koaxialleiter 2 und eine Schleife 3 in dem durch eine Kugel 4 tjs gyromagnetische!!! Material gebildeten Resonator ein Höchstfrequenzfeld aufbaut. Die Kugel 4 ist in der zentralen öffnung eines zylindrischen Körpers 5 aus unmagnetischem, dielektrischem Material angeordnet und an einem Träger 6 befestigt, welcher teilweise im Schnitt dargestellt ist und in größerem Maßs^b in Fig.2b gezeigt ist. Die Kopplungsschleife 7, die um die Kugel 4 herum in einer Ebene zu der Wicklung 3 senkrechten Ebene angeordnet ist, versorgt tfen Ausgangskreis über einen Koaxialleiter 8 und einen Stecker 9. Die Wärmequelle, die zum Erwärmen der Kugel 4 dient, besteht aus einem Kaltleiter 10, der auf einer Fußplatte 11 aus Kupfer angeordnet ist die den Träger 6 der Kugel 4 umgibt Der Kaltleiter 10 und seine Fußplatte 11 nehmen Ausnehmungen ein, die zu diesem Zweck in dem dielektrischen Körper 5 vorgesehen sind Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Elektromagneten, die zum Aufbauen des Magnetfeldes für das Vormagnetisieren der

ίο Kugel 4 bestimmt sind, nicht dargestellt Es ist bekannt daß gewisse Filter die Verwendung von mehreren Resonatoren, wie der Kugel 4 erfordern, die zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet und in Reibe gekoppelt sind

Fig.2a zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Trägers der Kugel 4 und der Heizquelle gemäß dem Stand der Technik. F i g. 2b zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau. Fig.2b zeigt den Kaltleiter 10, der auf seiner Fußplatte 11 befestigt ist, die eine zylindrische Stange 6 umgibt, welche den Träger der Kugel 4 bildet Das der Kugel 4 benachbarte Ende der Stange weist einen Einschliff 12 in Form einer Hohlkugelkalotte auf, die die Kugel 4 aufnimmt welche darin festgeklebt ist In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung

2") besteht der Träger 6 aus genau bearbeitetem Korund, und die Endausnehmung 12 ist so eingeschliffen, daß die Rauhigkeit der Oberfläche auf einen Spitze-Spitze-Wert von 1 μπι begrenzt ist Die Kugel 4 ist optisch poliert, wie es in dem Falle dieses Typs von Resonator

jo üblich ist. Es wird ein Klebstoff benutzt, der ausreichend flüssig ist, um die Dicke des Klebstoffes zwischen dem Träger und der Kugel auf ein Minimum zu reduzieren. Für Kugeln mit einem Durchmesser von 700 μπι liegt die Klebstoffdicke unter 10 μπι, bei Verwendung eines

r. Klebstoffes des Typs »Cyanolit 303«, der von der Fa. Eleco, Clichy, Frankreich, vertrieben wird. Der Kaltleiter 10 wird in Abhängigkeit von den Kenndaten des die Kugel 4 bildenden magnetischen Materials und insbesondere in Abhängigkeit von der Änderung der Sättigungsinduktion in Abhängigkeit von der Temperatur und der Änderung der Linienbreite gewählt. Wenn bei Frequenzen bis hinunter zu 500 MHz ein Gallium- und Yttriumgranat mit einer Sättigungsinduktion von ungefähr 30 mT gewählt wird, liegt diese Temperatur in

4^r> der Größenordnung von 100⁰C, und es wird für diesen Fall ein Kaltleiter gewählt, dessen Sprungtemperatur etwa 110° C beträgt.

Ein Vergleich der F i g. 2a und 2b zeigt deutlich die Unterschiede zwischen dem Stand der Technik und der

^r>() Erfindung bzgl. der Berührung der Kugel 4 und ihres Trägers 6. Wenn gemäß dem Stand der Technik der Träger 6 aus Berylliumoxid besteht, ist die Berührungsfläche 13 des Trägers plan, und der Klebstoff 14 bildet einen Wulst, welcher einen großen Wärmewiderstand

Ti zwischen der Kugel und ihrem Träger darstellt. Außerdem gestattet die Verwendung eines gesinterten Materials nicht, einen Zustand der Oberfläche 13 zu erzielen, der dem optischen Schliff der Kugel 4 angepaßt werden kann. Jeder Poliervorgang, der an der

bo Fläche 13 ausgeführt wird, drückt sich nämlich durch das Freilegen und gelegentliche Losreißen der das Material bildenden Körner aus. Die Abmessungen der Berylliumoxidkörner liegen aber gewöhnlich in der Größenordnung von etwa 10 μηι. Der Kontakt zwischen der Kugel

b5 4 und ihrem Träger 6 ist daher sehr schlecht. Dagegen gestattet die erfindungsgemäße Verwendung eines Trägers 6 aus einkristallinem Material eine genaue Bearbeitung der Fläche 12 und ihr Polieren. Die weiter

unten angegebenen Ergebnisse zeigen, daß die Temperatur der Kugel 4 mit einer besseren Genauigkeit festgelegt ist, und daß die Differenz zwischen der Temperatur der geregelten Wärmequelle und der der Kugel durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Aufbaus verringert wird.

Die Kurve von F i g. 3 ist eine Frequenzdämpfungskennlinie eines Filters nach der Erfindung. Der Einfügungsverlust beträgt 1 dB bei der Mittenfrequenz von 630 MHz und die 3-dB-Bandbreite beträgt 24 MHz. Das Filter besteht aus zwei Resonatoren aus Gallium-Yttriumgranat mit einem Durchmesser von 0,70 mm, dessen Sättigungsinduktion (4 π Ms) etwa 30 mT beträgt und dessen Linienbreite bei 5,4 GHz kleiner als 4 Oe ist.

F i g. 4 zeigt eine Kurvenschar, welche die Änderung der Miitenfrequenz des Filters darstellt, die der Grenzleistung entspricht, jenseits welcher die Durchlaßkurve infolge der Anregung von Spinschwingungen in dem Material für verschiedene Betriebsarten eines Filters nicht mehr linear ist, das einen Resonator enthält, der aus Gallium- und Yttriumgranat besteht, dessen Sättigungsinduktion (4 π Ms) etwa 30 mT beträgt und der so ausgerichtet ist, daß die Achse 111 zu dem äußeren Magnetfeld parallel ist. Die Kurve A zeigt die Kennlinie eines solchen Filters, das in einem Heizschrank auf 110⁰C gehalten wird. Die Kurve B zeigt die Kennlinie, die unter denselben Bedingungen erhalten wird, wenn der Heizschrank auf einer Temperatur von 100°C gehalten wird, während die Kurve Ceinem Filter entspricht, das in einem Heizschrank auf einer Temperatur von 90⁰C gehalten wird. Unter diesen Betriebsbedingungen, die zur Temperatureichung des Systems bestimmt sind, wird das gesamte Filter (Resonatoren + Träger) während der Messungen auf der festen Temperatur gehalten. Die Leistung bei dem Begrenzungsschwellenwert ist die Größe, die in eindeutiger Weise mit der Temperatur des Materials über die Kurve der Änderung der Sättigungsinduktion in Abhängigkeit von der Temperatur, die für das benutzte Material als bekannt vorausgesetzt wird, verknüpft ist.

Die Kurve D ist die Kennlinie, die mit einem Resonator erhalten wird, der gemäß der Erfindung montiert ist (F i g. 2b), wenn die Sprungtemperatur des Kaltleiters 110° C beträgt.

Die Kurve E ist die Kennlinie, die mit einem gemäß dem Stand der Technik montierten Resonator (F i g. 2_A)

κι erzielt wird. Es ist zu erkennen, daß die Kurve D näher bei der Referenzkurve A liegt als die Kurve £ Die Kurven sind praktisch parallel, was bedeutet, daß das thermische Gleichgewicht der gemäß der Erfindung montierten Kugel der im Heizschrank gehaltenen Referenzanordnung näherkommt. Die Überprüfung der Ergebnisse zeigt zwischen den Kurven D und A eine Temperaturdifferenz, die 3° C äquivalent ist, während die Kurve E einer Temperatur von 97° C entspricht, wenn eine lineare Beziehung zwischen der Temperatur

2(i und der Leistung bei dem Grenzschwellenwert angenommen wird.

Die Tabelle von F i g. 5 zeigt die Änderungen der Mittenfrequenz Fo eines Filters nach der Erfindung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zwischen

r> -10°Cund +60⁰C. Die Mittenfrequenz F₀ist durch

F, + F₂

definiert, wobei Fi und F₂ die Frequenzen sind, bei denen die Dämpfung des Filters in bezug auf das maximale Signal 3 dB beträgt. Die verschiedenen Frequenzbereiche werden überdeckt, indem das in der Nähe des Resonators aufgebaute Magnetfeld verändert wird Diese Tabelle zeigt, daß die maximale Abweichung der Frequenz Fo, die in dem zweiten Beispiel erreicht wird gleich 2,7 MHz ist. Ein bekanntes Filter weist einen typischen Abweichungswert von 5 MHz auf.

Hierzu 5 Blatt Zci

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Höchstfrequenzfilter mit Kugelresonator aus einkristallinem gyromagnetischem Material vom Granattyp, das durch eine Wärmequelle auf einer über der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel in einer Hohlkugelkalotte befestigt ist, die in eines der Enden eines zylindrischen Trägers eingearbeitet ist, der aus einem einkristallinen Material besteht und poliert ist, während das zweite Ende des Trägers in einer metallischen Fußplatte angeordnet ist, die einen Kaltleiter trägt

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugelresonator optisch poliert ist, daß die Kugelkalotte des Trägers eingeschliffen ist und daß die Kugel in dem Einschliff durch eine Klebstoffschicht mit einer Dicke von 10 μΐη festgeklebt ist

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Korund besteht, daß der Kugelresonator aus Gallium-Yttriumgranat besteht und daß die Sprungtemperatur des Kaltleiters 110° C beträgt

4. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltleiter eine Sprungtemperatur aufweist, die um 20°C höher ist als die optimale Temperatur des Kugelresonators. jo