DE3038140A1

DE3038140A1 - Temperaturstabilisierter, frequenzabstimmbarer mikrowellen-resonator

Info

Publication number: DE3038140A1
Application number: DE19803038140
Authority: DE
Inventors: Enzo Sesto S. Giovanni Milano Pome
Original assignee: Telettra Telefonia Elettronica e Radio SpA; Telettra Laboratori di Telefonia Elettronica e Radio SpA
Current assignee: Telettra Laboratori di Telefonia Elettronica e Radio SpA; Telettra SpA
Priority date: 1979-10-15
Filing date: 1980-10-09
Publication date: 1981-04-30
Also published as: NO152476C; JPS5665501A; US4335365A; GB2064880A; NO152476B; MX148539A; IT1123841B; ES495908A0; SE8006818L; ES8200972A1; NL8005682A; YU263880A; BR8006558A; IT7926491A0; GB2064880B; NO802898L; FR2467489A1; FR2467489B1; SE444095B

Description

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Anm.: TELETTRA - Telefonia Elettronica e Radio S.p.A.
Corso Buenos Aires, 77/A Mailand (ITALIEN)

Temperatürstabilisierter, frequenzabstiiranbarer Mikrowellen-Resonator

Vertreter: Patentanwälte

Dipl.-Ing. S. Schulze Horn M.SC. Dr. H. Hoffmeister Goldstraße 36 4400 Münster Bundesrepublik Deutschland

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Temperaturstabilisierter, frequenzabstimmbarer Mikrowellen-Resonator

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Resonator, der temperaturstabilisiert ist, keiner luftdichten Abdichtung bedarf und bezüglich der Frequenz einfach einzustellen bzw. abzustimmen ist- Im wesentlichen besteht der Resonator aus einem Hohlkörper, einer Abstimirischraube, einem Stopfen, seitlichen Hilfsvorrichtungen zur Ankopplung an eine Diode und 'aus einem Anschluß.

Es sind bereits verschiedene Arten von Mikrowellen-Resonatoren bekannt. Von den Resonatoren mit einer Metallwand sind die wichtigsten Typen nach ihren Moden TEM

zu unterscheiden:

1. TEM : Koaxial-Resonator;

2. TEM- : Wellenleiter-Resonator;

3. TEM₁₁: Kreisform-Wellenleiter-Resonator;

4. TEM.-: Kreisform-Wellenleiter-Resonator.

Die Resonatoren werden wie folgt in Mikrowellen-Schaltkreisen benutzt:

- Bei stabilen Oszillatoren sind die Resonatoren zweckmäßig an einen Schwingungserzeugenden, aktiven Schaltkreis angekoppelt, so daß die Oszillatorfrequenz im wesentlichen nur durch den Resonator bestimmt ist.

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- Bei Filter-Schaltkreisen wird eine entsprechende Zahl von Resonatoren zweckmäßig miteinander gekoppelt, wobei insbesondere der erste Resonator mit dem Generator und der letztere mit der Last verbunden ist.

Ein schwieriges Problem bei derartigen Konstruktionen ist die Stabilisierung der Resonator-Resonanzfrequenz bei Änderung der Umgebungsbedingungen (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) , wenn eine hohe Frequenzstabilität in der Größenordnung von 1O~ /⁰C erzielt werden soll.

Die Resonanzfrequenz eines Resonators wird durch drei Grundfaktoren beeinflußt, nämlich

1. durch die temperaturbedingte Ausdehung des Metalls des Resonators;

2. durch die dielektrische Konstante des die Resonanzkammer füllenden Gases;

3. durch die Lastimpedanzen an den Öffnungen, über die der Resonator mit der Umgebung gekoppelt ist.·

In bezug auf den Faktor 3 kann die Lastimpedanz vernachlässigbar reduziert werden, indem der Ankopplungsstöreinfluß entsprechend verkleinert und erforderlichenfalls ein Isolator zwischen Resonatorkammer und Last angeordnet wird.

In bezug auf den Faktor 1 wurde bereits vorgeschlagen, das Resonatorgehäuse aus einem Metall mit niedrigem

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Wärme-Ausdehnungskoeffizienten anzufertigen, z.B. aus Fe-Ni-Legierungen, die unter der Handelsbezeichnung Invar oder Super-Invar bekannt sind und einen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens l,5.10~ /°C bzw. 0,7·10 / C besitzen. Außerdem wird ,eine spezielle Wärmebehandlung zur Stabilisierung dieser Werkstoffe vor und nach ihrer Verarbeitung vorgesehen. Auf diese Weise hält das Enderzeugnis die vorgeschriebenen Werte des Ausdehungskoeffizienten ein.

Bezüglich des Faktors 2 ist möglich, die Kammer luftdicht, d.h. feuchtigkeits- und gasdicht abzudichten, bevor sie mit einem trockenen Inertgas (z.B. Stickstoff) gefüllt wird, um dadurch den Druckunterschied gegenüber der äußeren Umgebung anzuheben.

Diese Lösung ist jedoch sehr kompliziert, weil sämtliche Lötstellen der verschiedenen, die Resonatorkammer bildenden Teile sowie die Ankopplungsblenden und■Abstimmmittel abgedichtet werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Resonators mit einer Kammer, welche die vorstehend geschilderten Mangel nicht aufweist, dabei aber auf einfache und wirkungsvolle Weise temperaturstabilisiert ist. Trotzdem soll diese Kammer auch bezüglich der Frequenz einstellbar und feinabstimmbar sein.

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Diese Aufgabe wird bei einem Resonator gelöst, der aus einem Hohlkörper einer der vier eingangs genannten Moden besteht, der seinerseits aus einer Legierung mit sehr niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, z.B. aus einer Eisen-Nickel-Legierung (vorzugsweise "Invar" oder "Super-Invar"), wobei die Luft aus der Kammer praktisch vollständig eliminiert ist und erfindungsgemäß ein amorphes Quarzelement in dem Hohlraum der Resonatorkammer eingesetzt ist.

Form und Größe dieses Quarzelementes müssen'so gewählt sein, daß es mit sicherem Sitz im Hohlraum angeordnet ist, so daß die Bereiche, in denen Luftundichtigkeiten (Lecks) vorliegen können, auf ein Minimum herabgesetzt sind.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist der amorphe Quarz bevorzugt von optischer Qualität, obgleich auch Quarz von nicht-optischer Qualität vorteilhaft für Resonatoren für Frequenzen von unter 2 bis 4 GHz. benutzt werden kann, bei denen die Verluste niedrig und daher nicht wesentlich sind.

Da außerdem Resonatoren, die mit Frequenzen von unter 2 bis 4 GHz arbeiten, relativ groß sind," führt die Möglichkeit der Benutzung von Quarz nicht-optischer Güte, der preisgünstiger ist, zu erheblichen Kosteneinsparungen.

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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung liegt die freie obere Kreisfläche des Quarzelementes_; wenn es Zylinderform hat, dem Anschlußstab gegenüber, der von einem Teil der Abstimmschraube getragen wird und aus Aluminium oder einem anderen Werkstoff besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige der Fe-Ni-Legierung, so daß er als Kompensator für die Resonanzfrequenz gegenüber der Temperatur dienen kann.

Ein bedeutsamer Vorteil gemäß Erfindung ergibt sich aus der Tatsache, daß der Resonanzfrequenzbereich durch Änderung der Höhe des Quarzzylinders bestimmt werden kann, beispielsweise durch Auswechseln eines Zylinders einer bestimmten Höhe durch einen Zylinder einer anderen Höhe und entsprechendes Auswechseln der Abstimmschraube. Dabei ist zu beachten, daß sich das Kammervolumen ändern kann.

Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsbeispxele der Erfindung anhand der. beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine auseinandergezogene, perspektivische

Darstellung eines Resonators gemäß der Erfindung; Fig. 2 eine Aufsicht auf die Kammer des Resonators

und
Fig. 2a einen Teilschnitt durch die Kammer des Resonators längs der Linie a - a in Fig. 2.

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-/Λ

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Gemäß den Figuren besteht der Resonator aus der eigentlichen Kammer A, einem Einsatz oder Stopfen B, einer Abstimmschraube C sowie seitlichen Ansatzstücken a2 und a7.

Die Kammer A wird vorzugsweise durch Fräsen und Drehen aus einem Block aus einer Fe-Ni-Legierung mit sehr geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (z.B. Invar oder Super-Invar) hergestellt. Die Kammer A kann jedoch auch aus zwei Teilen gebildet sein, nämlich einem ersten, dünnen Hohlkörperteil, der aus Invar oder Super-Invar besteht, und einen Innenteil oder eine Auskleidung oder Hülse bildet, und einem äußeren Hohlkörperteil, der aus einem weniger teuren Metall, wie Aluminium, gefertigt ist, und den Einsatz aus Invar oder Super-Invar aufnimmt.

Unabhängig von der Konstruktion des Resonators weist die Kammer A an ihrer Oberseite f1 eine Gewindebohrung al auf, in welche der untere, mit Gewinde versehene Teil bl des Stopfens B eingeschraubt ist.

Die Stirnseite f4 (Fig. 1) des Resonators ist mit vier Bohrungen a5 sowie einem Schlitz a4 zum Einsetzen einer kreisförmigen Irisblende a3 versehen. Dieser Blende a3 gegenüber liegt eine Ankoppelungs-Iris-Blende für die Schaltung und für eine GUNN-Diode.

Die Seitenflächen f2 und f3 sind mit den üblichen seit-

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lichen Ankoppelungsteilen für einen Anschluß und für einen GUNN-Diodeneingang versehen.

Die Seitenflächen f2 und f3 sind mit den üblichen Ankopplungsteilen für einen Anschluß und für einen GUNN-Diodeneingang versehen. Diese Ankopplungsteile können von an sich bekannter Art sein und haben keinerlei Einfluß auf das Wesen der Erfindung, so

ihre
daß sicn "nähere Erläuterung erübrigt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Ausfüllen des Hohlraums der Kammer A mit einem amorphen Quarzzylinder D (Fig. 1), der eine zylindrische Form und einen Außendurchmesser besitzt, welcher dem Innendurchmesser des Hohlraums al der Kammer A praktisch gleich ist.

In sehr einfacher, vorteilhafter Ausführung wird der Quarzzylinder D als getrennter Quarzblock angefertigt und unter geringem Druck in die Metall- ' Resonanzkammer eingepreßt, um die Bereiche, in denen noch Luft verbleibt, weitgehend zu verringern.

Die Eigenschaften amorphen Quarzes sind bekannt (vgl. beispielsweise die technische Veröffentlichung ELECTRO QUARTZ).

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Eine wesentliche Eigenschaft des amorphen Quarzes ist der thermische Ausdehnungskoeffizient, der kleiner ist als 10 /⁰C und damit praktisch dem Ausdehnungskoeffizienten von Invar entspricht. Auch der Verlustfaktor, der bis zu einer Frequenz von 13 GHz sehr gut und für Einsatzfälle mit bis zu mehr als 20 GHz annehmbar bzw. zufriedenstellend ist, ist als besondere Eigenschaft hervorzuheben.

In bevorzugter Ausführungsform wird der amorphe Quarzzylinder D als äußerst kompakte, flache Scheibe ohne Lufteinschlüsse geformt.

Diese getrennte, vorgeformte Quarzscheibe bietet nicht nur den Vorteil, daß sie keine Luftblasen oder -einschlüsse enthält, wie sie beim Eingießen von Quarz in den Hohlraum al der Kammer A auftreten könnten, sondern daß auch beim Eintreiben der Quarzscheibe in die Kammer A die dort eingeschlossene Luft ausgetrieben wird.

Der scheibenförmige Zylinder D wird vorzugsweise aus Rundstangenmaterial oder handelsüblichen durchsichtigen Quarzstäben geschnitten, die möglicherweise eine Streifenbildung aufgrund von Luftblasen

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-f-n.

aufweisen können- Dieses Stabmaterial wird daher mittels einer Diamantschleifscheibe so bearbeitet, daß sein Außendurchmesser möglichst genau dem Innendurchmesser des Hohlraums bzw. der Resonanzkammer A entspricht.

Das bearbeitete Stabmaterial wird anschließend zu kleinen Zylindern der erforderlichen Höhe geschnitten. Die Zylinder werden anschließend ebenfalls mittels einer Diamantschleifscheibe bearbeitet und geflext, bis sie die erforderliche Höhe besitzen.

Die Abstimmschraube C besteht aus zwei Teilen, nämlich einem Gewindeteil c1 zum Einschrauben der Schraube in den durchgehend mit Gewinde versehenen Halter b1 des Stopfens B, wobei der Gewindeteil, wie der STopfen B selbst, aus Invar besteht, sowie einem Teil c2, der aus Aluminium oder einem anderen Werkstoff mit höherem Ausdehnungskoeffizienten als Invar hergestellt ist und zum Kompensieren für die temperaturabhängige Resonanzfrequenz dient.

Der Teil c2 besitzt einen größeren Durchmesser als der Teil d und läuft in einen Flansch c2'

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aus, der an die freie Oberseite des Quarzzylinders D angekoppelt ist (Fig. 2).

Eine Kontermutter c3 dient zur Sicherung der Abstimmschraube C am Einsatz bzw. Stopfen B, der seinerseits mittels seines Außengewindeteils b1 mit der Kammer A verbunden ist. Ein Hülsenring b5 aus einem absorbierenden Material dient zur Dämpfung etwaiger Störresonanzen der Resonanzkammer.

Ein sehr wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß der Resonanzfrequenzbereich des Resonators ohne weiteres dadurch variiert werden kann, daß ein Quarzzylinder einer bestimmten Höhe durch einen solchen einer anderen Höhe ersetzt und dadurch das Volumen der Resonanzkammer verändert wird. Gleichzeitig wird die benutzte Abstimmschraube C durch eine an die Höhe des neuen Zylinders angepaßte Schraube ersetzt.

Tatsächlich hat es sich gezeigt, daß der Frequenzbereich von der Höhe H des QuarzZylinders B (bei gleichbleibendem Durchmesser) und von den Abmessungen der Abstimmschraube B abhängt, insbesondere vom Durchmesser des Flaraches c2', dem Durch-

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messer des Gewindeteils c1 sowie der Gesamthöhe der Abstimmschraube C. Der Frequenzbereich kann auch von den Hauptabmessungen des Stopfens B und des absorbierenden Ringes b5 abhängen. Durch Bestimmung des Frequenzbereiches mittels der Höhe des QuarzZylinders B und der Abmessungen der Abstimmschraube C wird der Vorteil erzielt, daß bei ein und derselben Resonanzkammer durch einfaches Auswechseln eines Quarzzylinders und der Abstimmschraube der Frequenzbereich variiert werden kann. Durch Verwendung von Quarzzylindern mit einem festen Durchmesser von z.B. 15 mm, aber mit 4 verschiedenen Höhen ist es somit möglich, den Frequenzbereich von 12,700 bis 12,850 GHz auf andere Bereiche zu ändern, beispielsweise auf 12,850 bis 13,000, 13,000 bis 13,150 und 13,150 bis 13,300 GHz, wobei in jedem Fall auch ein entsprechender Kompensatorstab verwendet wird.

Die Resonanzfrequenzstabilität der erfindungsgemäßen Resonanzkammer beträgt typischerweise - 40*10 im Bereich von 0 bis 45°C.

Die erfindungsgemäße Konstruktion bietet unter anderen die folgenden wesentlichen Vorteile:

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a) Eine hermetische Abdichtung der Resonanzkammer ist nicht erforderlich,, weil die in ihrem Inneren eingeschlossene Luft auf eine vernachlässigbare Menge reduziert ist.

b) Die Abstimmschraube braucht nicht eingedichtet zu sein, so daß sie während des Betriebs des Resonators zugänglich ist. Infolgedessen kann eine nach längerem Betrieb auftretende Frequenzdrift ausgeglichen werden, was sich bei der luftdicht abgeschlossenen Resonanzkammer als praktisch unmöglich erweist.

c) Die Größe der mit Quarz gefüllten Metall-Resonanzkammer verringert sich im Vergleich zu einer gasgefüllten Resonanzkammer auf die Hälfte, woraus sich Materialeinsparungen und kleinere Bauteilgrößen ergeben.

Diese speziellen Merkmale führen zu weiteren, nachstehend aufgeführten Vorteilen:

d) Erhebliche Kosteneinsparungen, weil kein Abdichtvorgang erforderlich ist und weniger Werkstoff (Invar) benötigt wird.

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e) Längere Lebensdauer der Resonanzkammer, weil Leckverluste vermieden werden,· während langfristige Frequenzabweichungen der Resonanzkammer mittels der Abstimmschraube ausgeglichen werden können.

f) Die Ersatzteil-Lagerhaltung für die Resonatoren ist verringert, weil eine einzige Resonanzkammer am Einsatzort innerhalb eines bestimmten Frequenz-Unterbereiches abgestimmt werden kann, während bei luftdicht verschlossenen Resonanzkämmern eine der Zahl der Kanalfrequenzen entsprechende Zahl von Resonatoren bereit gehalten werden muß.

g) Die aktiven Bauteile der Resonatoren können unmittelbar ausgewechselt werden, ohne daß eine erneute Ausrichtung bzw. Justierung der Resonanzkammer erforderlich ist wie bei luftdicht geschlossenen Resonanzkammern. Falls beispielsweise die Diode durchbrennt, kann sie durch Auswechseln des Diodenhalters ersetzt werden, wobei der Resonator weder ausgewechselt zu werden braucht, noch zeitraubender Abdichtungs- und Stabilisierungsarbeiten bedarf.

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- λ/- α

h) Wie vorstehend erläutert, ermöglicht die erfindungsgemäße Verwendung eines QuarzZylinders auch den vorteilhaften Aufbau der Resonanzkammer A aus zwei nicht speziell dargestellten Teilen, nämlich einem Innenkörper A¹ aus einer hochwertigen Legierung mit sehr niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Invar oder Super-Invar) in der Form einer Hülse oder eines Einsatzes als Innenschale sowie eines hohlen Außenkörpers A¹', der aus einem weniger wertvollen Material, z. B. Aluminium, hergestellt ist und den Innenkörper A¹ aufnimmt. Letzterer besitzt im Vergleich zum Außenkörper A¹', welcher alle mechanischen Belastungen aufnimmt und die eingepreßte dünne Hülse A¹ schützt, eine verhältnismäßig geringe Dicke. Dabei werden Einsparungen an der hochwertigen Legierung dadurch erzielt, daß bei Verwendung des erfindungsgemäßen Quarz-Zylinders Lufteinschlüsse innerhalb der Auskleidung a2 weitgehend vermieden werden.

Die Ausbildung der Kammer A aus einer dünneren inneren Hülse A¹ aus einer hochwertigen Legierung und einem dicken Außenkörper A¹' aus einem weniger teueren Material (Aluminium) wird dadurch ermöglicht,

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- daß der Aluminium-Außenkörper A¹', welcher sich bei niedrigen Temperaturen' an die Innenauskleidung A¹ aus Invar anpreßt, letztere nicht nennenswert verformen kann,

- und daß bei höheren Temperaturen die Ausdehnung der Innenhülse A¹ durch den Aluminium-Außenkörper A¹' nicht behindert wird, weil letztere einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt.

In Zusammenfassung wird mit der Erfindung also ein temperaturstabilisierter Mikrowellen-Resonator geschaffen, der keiner luftdichten Abdichtung bedarf und einfach bezüglich der Frequenz einstellbar bzw. fein-abstimmbar ist. Der erfindungsgemäße Resonator besteht im wesentlichen aus einem Hohlkörper (Kammer A), einer Abstimmschraube, einem Stopfen und seitlichen Hilfsvorrichtungen zur Ankopplung an eine Diode sowie einem Anschluß, wobei die Kammer mit amorphem Quarz gefüllt ist. Diese Kammer besteht vorzugsweise aus einer dünnen inneren Hülse oder Auskleidung aus einer hochwertigen Legierung, die in dem Hohlraum eines dicken Mantels aus einem weniger hochwertigen Material (Aluminium) eingepreßt ist.

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Claims

Patentansprüche ;

—<f
( 1.,Temperaturstabilisierter und frequenzabstimmbarer Mikrowellen-Resonator mit mindestens einer Kammer, einer Abstimmschraube, einem Einsatz bzw. Stopfen, Ankopplungsvorrichtungen an eine Diode und einem Anschluß, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (A) mit amorphem Quarz gefüllt ist.
2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der amorphe Quarz als Zylinder (D) geformt ist, dessen Außendurchmesser im wesentlichen dem Innendurchmesser der Resonanzkammer (A) entspricht, in welchem das Quarzelement eingepreßt ist.
3. Resonator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der amorphe Quarz von optischer Qualität ist.
4. Resonator nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstirnmschraube (C) nicht abgedichtet und bei Betrieb des Resonators zugänglich bleibt.

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5. Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmschraube

(C) aus einem Gewindeteil (c1) aus einer Legierung mit niedrigem Wärme-Ausdehnungskoeffizienten und aus einem zweiten Teil (c2) aus einem Werkstoff besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige des Gewindeteils (C1), so daß die Abstimmschraube sich als Kompensator für die temperaturabhängige Resonanzfrequenz eignet.
6. Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich des Resonators durch Auswechseln des QuarzZylinders

(D) sowie der Abstimmschraube (C) veränderbar ist.
7. Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eigentliche Resonanzkammer (A) aus einer dünnen inneren Hülse (A') oder Auskleidung aus einer hochwertigen Legierung (insbesondere Invar oder Super-Invar) geformt ist, die in den Hohlraum eines dicken äußeren Mantels (A¹ ') aus einem weniger hochwertigen Material, insbesondere Aluminium eingepreßt ist.

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