DE3127838A1

DE3127838A1 - Temperaturstabilisierter mikrowellen-resonator und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3127838A1
Application number: DE19813127838
Authority: DE
Inventors: Amedeo 20040 Carnate Donazzan; Enzo 20099 Sesto S.Giovanni 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: 1980-07-16
Filing date: 1981-07-14
Publication date: 1982-04-15
Also published as: BR8104501A; SE8104143L; FR2487132A1; AR224832A1; ES8204563A1; NO812319L; JPS57154902A; IT1131598B; US4454489A; ES503991A0; IT8023476A0; NL8103382A; GB2083713A; DE8120651U1

Description

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

Titel: Temperaturstabilisierter Mikrowellen-Resonator und Verfahren zu seiner Herstellung

Vertreter: Patentanwälte Dipl. Ing. S. Schulze Horn M. Sc. Dr. H. Hoffmeister Goldstraße 36 4400 Münster

Temperaturstabilisierter Mikrowellen-Resonator und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Resonator, der temperaturstabxlisiert ist, keiner luftichten Abdichtung bedarf und bezüglich der Frequenz einfach einzustellen bzw. abzustimmen ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Resonators·

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

1. TEM : Koaxial-Resonator;

2. TEM-J₀: Wellenleiter-Resonator?

3. TEM..? Kreisform-Wellenleiter-Resonator;

4. TEM .: Kreisform-Wellenleiter-Resonator.

Es ist bekannt, daß die Stabilisierung der Hohlraumresonatorfrequenz bei Änderung von ümgebungsbedingungen (Temperatur und Luftfeuchtigkeit)ein schwieriges Problem darstellt, wenn eine Frequenzstabilität in der

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Größenordnung von 10 /⁰C erzielt werden soll.

Die Resonanzfrequenz eines Resonators wird durch drei Grundfaktoren beeinflußt, nämlich

1. durch die temperaturbedingte Ausdehnung 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 Wärme-Ausdehnungskoeffizienten anzufertigen, z. B. aus Fe-Ni-Legierungen, die unter der Handelsbezeichnung Invar oder Super-Invar bekannt sind und einen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 1,5 · 10 /⁰C bzw. 0,7 · 10~ /° C besitzen. Außerdem wird eine spezielle Wärmebehandlung zur Stabilisierung dieser Werkstoffe vor und nach ihrer Verarbeitung vorgesehen. Auf diese

Weise erhält das Enderzeugnis die vorgeschriebenen Werte des Ausdehnungskoeffizienten ein=

Bezüglich des Faktors 2 ist erforderlich, die Kammer luftdicht«, α» ho feuchtigkeits- und gasdicht abzudichten, bevor sie mit einem trockenen Inertgas (ζ- Β. Stickstoff) gefüllt wird,, um dadurch den Druckunterschied gegenüber der äußeren Umgebung anzuheben»

Diese Lösung ist jedoch sehr kompliziert,, weil samtliche Lötstellen der verschiedenen? die Resonatorkammer bildenden Teile sowie die Änkopplungsblenden und Äbstimmmittel abgedichtet werden müssen.

Im Hinblick hierauf beschreibt die DE-OS 3 038 140 Hohlraumresonatoren, die keine Gasfüllung benötigen, weil in die Metallwand des Hohlraumresonators ein Quarzzylinder eingesetzt ist* Die genannte Patentanmeldung beschreibt Hohlraumresonatoren mit einer eine geringe Dicke besitzenden inneren Hülse aus e .ner kostspieligen Legierung (Invar), während der Äußenmantel eines solchen Hohlraumresonators dicker ist und aus einer weniger teuren Legierung besteht»

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines

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temperaturstabilisierten Resonators, bei dem nicht nur auf die Inertgasfüllung verzichtet werden kann, sondern auch die Verwendung von mehr oder weniger kostspieligen Legierungen für den Hohlraumkörper vollständig vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gelöst für einen temperaturstabilisierten, frequenzeinstellbaren Hohlraumresonator,'bei dem der Körper des Resonators aus reinem amorphen Quarz hergestellt und mit mindestens einer Metallisierungsschicht überzogen ist.

Der erfindungsgemäße Hohlraumresonator weist keine Kammer oder dergleichen mit einer Metallwand aus einer mehr oder weniger teuren Legierung, sondern statt dessen einen Körper aus reinem amorphen Quarz auf, dessen Außenflächen, mit Ausnahme kleiner, für die Ankopplung benutzter Flächen, metallisiert sind.

Da der erfindungsgemäße metallisierte amorphe Quarzkörper in zweckmäßiger Form und Größe hergestellt werden kann, läßt sich ein temperatustabilisierter Resonator realisieren, der eine Feineinstellung der Resonanzfrequenz zuläßt und sich besonders für stabile Mikrowellenstrahler mit Ankopplung an eine geeignete aktive Schaltung eignet.

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Der erfindungsgemäße Hohlraumresonator kann als Ersatz für alle bisherigen Mikrowellen-Hohlraumresonatoren mit Metallfläche benutzt werden,, nämlich für TEM₀₀-Typ Koaxial-Resonatoren mit 1 = λ/4 und 1 = λ/2, T Typ-Rechteckleiter-Resonatoren sowie TB₀₁₀-C T₁₁₁ TE₁₁-Typ-Kreisform-Wellenleiter-Resonatoren.

Im Vergleich zu den bisherigen Hohlraumresonatoren mit Metallwandung, insbesondere denjenigen unter Verwendung von Legierungen mit sehr niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten,, bietet der erfindungsgemäße Resonator Vorteile, Kosten werden infolge einer erheblichen Vereinfachung der Fertigungsschritte eingespart, da schwierig zu verarbeitende Legierungen, wie Invar und Superinvar„ nicht vert^endet werden= Hieraus ergeben sich niedrigere Beschaffungs™ und Betriebskosten« Aufgrund dieser Vorteile wird der erfindungsgemäße Hohlraumresonator, auch im Vergleich zur Vorrichtung nach der genannten DE-OS 3 038 140 wettbewerbsfähiger=

Eine weitere Kosteneinsparung ergibt sich durch den Wegfall einer luftdichten Abdichtung oder Kapselung des Hohlraums» Insbesondere xirerden hierdurch folgende Vorteile gewährleistet!

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1. Eine eindeutige Verbesserung der Abdichtung des Hohlraumresonators wird erreicht.

2. Es können Hohlraumresonatoren mit zylindrischen und rechteckigen Querschnitts sowie TEM_OQ-Typ-Resonatoren hergestellt werden. Der Hohlraum-Resonator nach der genannten DE-OS 3 038 140 kann entweder nur als TE₀₁₁-Typ oder derart realisiert werden, daß ein elektrisches Feld E=O- auch in den orthogonalen Komponenten - in der Nähe der den Hohlraum begrenzenden Metalloberflächen herrscht.

3. Es werden Größe und Gewicht verringert, so daß sich eine größere Verwendungsvielseitigkeit ergibt und neuartige, beachtliche Möglichkeiten eröffnet werden, beispielsweise der Bau von Festfreguenzoszillatoren, direkt mit Mikrowellen-Frequenzen unter Vermeidung der Schwierigkeiten bezüglich Bauteilen oder Stromkreisen, die normalerweise bei den bisherigen Vorrichtungen nötig sind.

Im folgenden sind bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Figur 1 eine vereinfachte, schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Resonators,

Figur 2 und 2A schematische und teilweise auseinandergezogene perspektivische Darstellungen des erfindungsgemäßen Hohlraumresonators,

Figur 3, 3A und 3B weitere Einzelheiten des-Resonators f.

Figur 3A¹, 3B', 4, 4A und 5 Äquivalentschaltbilder des Hohlraumresonators und

Figur 6 eine teilweise im Schnitt gehaltene spezielle Ausführungsform der Erfindung.

Das in Figur 1 schematisch veranschaulichte Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hohlraumresonators umfaßt die im folgenden beschriebeneu Verfahrensschrittes

Schritt I:

Aus einem Quarzstab werden kleine Ouarzzylinder QU mit den erforderlichen Abmessungen bezüglich Durchmesser und Länge geschnitten.

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Schritt II: Metallisierung

Die Außenfläche des Zylinders QU wird mit einer dünnen Metallschicht ME vorzugsweise mit einer Dicke im Mikrometerbereich beschichtet, indem der Zylinder z. B. in ein Bad mit Kupferlösung oder einen anderen Lösung eines leitfähigen Metalls eingetaucht wird.

Schritt III:

Der so metallisierte Quarzzylinder QU wird mit einer zweiten, sog. Verdickungs- bzw. Verstärkungsschicht aus einem Metallüberzug überzogen, bei dem es sich um dasselbe Metall wie bei der Metallschicht ME oder um ein unterschiedliches Metall handeln kann. Die Dicke dieser Verstarkungssieht INS liegt vorzugsweise im Zehntelmillimeterbereich; diese Verstärkungsschxcht INS wird vorzugsweise auf galvanischem Wege aufgebracht. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Metallschichten ME (Schritt II) und INS (Schritt ITI) auch auf andere Weise ausgebildet werden können, z. B. durch Aufstreichen eines leitfähigen Lacks (mit Kupfer, Silber oder dergleichen) oder durch Lackieren mit anschließender Galvanisierung im galvanischen Bad. In allen Fällen müssen die folgenden Eigenschaften eingehalten werden;

Quarzgüteϊ Verwendet wird reiner, amorpher Quarz,

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vorzugsweise optischer Güte, in Form von rektifizierten und bearbeiteten Stäben.

Metallisierung! Die Metallisierung erfolgt,, um den Quarzzylinder mit einer fest an seiner Oberfläche haftenden, · sehr gut leitfähigen Metalloberfläche zu versehen und dadurch den Einschluß von Luft oder anderem Gas im Inneren des Resonanzhohlraums, d„ h„ in der Quarsmasse innerhalb der Metalloberfläche zu verhindern.

Die erste Metallisierungsschichtf die eine hohe elelctrische Leitfähigkeit gewährleisten soll_p und deren Dicke groß genug ist,, um den gesamten, mit dem elektromagnetischen Resonanzfeld verbundenen elektrischen Strom aufnehmen zu können,, wird zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit vorzugsweise auf galvanischem Wege mit der leitfähigen Metallisierungsschicht IMS versehen. Hierdurch werden die mechanischen und elektrischen Anschlüsse zur aktiven Vorrichtung oder zu den angekoppelten Vorrichtungen vereinfacht, denen der Hohlraumresonator die erforderlichen elektrischen Charakteristiken bieten muß.

Die Figuren 2, 3ä und 3B veranschaulichen drei Arten der Ankopplung -zwischen dem erfindungsgemäßen Hohlraum-

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resonatorkörper CM und einem Mikrostreifen MST. Figur 2 veranschaulicht eine Übertragungsleitung L mit ihrem dielektrischen Träger, ein Element FCC zur Herstellung des Kontaktes zum elektrischen Kontinuum der Anordnung, einen Aluminiumkörper CAL, bestehend aus einer Platte CAL' mit einem Träger CAL", der senkrecht zur Platte CAL¹ steht und aus einem ebenfalls senkrecht auf der Platte CAL¹ stehenden Gewindestift CIN. Der metallisierte Hohlraumresonator CM selbst besitzt eine zylindrische Form und ist mit einer zentralen, axialen Bohrung 10 zur Aufnahme des mit einer Mutter 11 zu versehenden Gewindestiftes CIN ausgestattet. Der Hohlraumresonator CN ist ein λ/2-Hohlraumresonator bzw. -hohlleiter mit einer Bohrung FSO zur Aufnahme eines Koppelstifts SO für die Ankopplung des Hohlraumresonators an den Mikrostreifen MST.

Der Gewindestift CIN besteht vorzugsweise aus Invar. Figur 2A veranschaulicht die Anordnung im zusammengebauten Zustand und Figur 2 in auseinandergezogener, perspektivischer Darstellung.

Figur 3A veranschaulicht eine Möglichkeit zur Ankopplung des Mikrostreifens an den Hohlraumresonator CM über eine Blende IR.

Figur 3A' ist ein Äquivalentschaltbild dieses Mikrostreifens bei Ankopplung an den Rundhohlleiter bzw. den Hohlraumresonator CM über die Blende»

Figur 3 B veranschaulicht einen Fall, in welchem der Mikrostreifen MST gemäß Figur 2A durch einen Mikrostreifen MST' mit zwei Anschlüssen 15, 15" ersetzt ist- Ähnlich wie bei Figur 2A kann einer dieser Anschlüsse für die Feineinstellung der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators CM benutzt werden»

Figur 3b' zeigt das Äquivalentschaltbild der Anordnung gemäß Figur 3B mit über die Blende IR an den Hohlraumresonator CM angekoppelten Mikrostreifen-Anschlüssen 15, 15', wobei der Hohlraumresonator CM in seinen hohlen Träger S eingesetzt ist=

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, besteht eines der vorteilhaftesten Merkmale der Erfindung darin, daß der erfindungsgemäße Hohlraumresonator mit fester Eigenfrequenz arbeitet, so daß er bei Ankopplung an eine aktive Schaltung vorteilhaft für stabile Oszillatoren benutzt werden kann.

Zur weiteren Kosteneinsparung bei der mechanischen

Bearbeitung des Quarzstabs wird eine Frequenz-Feineinstellung ins Auge gefaßt, die durch eine schwache Ankopplung an ein geeignetes reaktives Netzwerk ermöglicht wird, das aus Halbleiterelementen bestehen kann.

Ankopplung an den Hohlraumresonator: Obgleich auch induktive Ankopplungen möglich sind, erweisen sich kapazitive Ankopplungen oder Ankopplungen unter einem elektrischen Feld E als besonders günstig. Hierfür eignen sich insbesondere die beiden Möglichkeiten gemäß Figur 2 und 3A, nämlich eine kapazitive Ankopplung mittels des Koppelstiftes SO, der in die im Quarzzylinder CM vorgesehene Bohrung FSO eingelassen und darin mittels eines Kunstharzes verklebt ist. Der Koppelstift SO gemäß Figur 2 besteht vorzugsweise aus einer Metallegierung mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einer seine Leitfähigkeit verbessernden Oberflächenbehandlung. Der Koppelstift kann auch metallisiert sein.

Die Ankopplung unter elektrischem Feld über die Blende IR (Figur 3A) an die metallisierte Quarzoberfläche ist durch Abtragung der Metallisierung in einem entsprechenden Bereich möglich. Die Herstellung von mittels des Hohlraumresonators stabilisierten Oszillatoren ist

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besonders interessant. Die an den Hohlraumresonator angekoppelte aktive Vorrichtung kann unter Verwendung von Halbleiterelementen, wie bipolaren Transistoren, Feldeffekttransistoren, GUNN-Dioden usw. verwirklicht werden= Der Schaltungseinbau des Resonators ist in verschiedenen Position mögliche beispielsweise in Reihen- oder Parallelschaltung sur Last, in Rückkopplungsschaltung , in Parallelschaltung mit dem aktiven Element usw. :

Ein besonderes Merkmal ist die Möglichkeit der Veränderung der Oszillatorfrequenz durch einfaches Auswechseln des Hohlraumresonators gegen einen anderen mit geringfügig unterschiedlichen Abmessungen, während der aktive Schaltkreis unverändert bleibt» Zu diesem Zweck wird in den aktiven Schaltkreis ein geeignetes Netzwerk eingebaut und tintetriert? mittels einer schwachen Hohlraumresonatorankopplung ermöglicht dieses Netzwerk eine Resonanzfrequenz-Feineinstellung des Hohlraumresonators selbst»

Im folgenden sind einige Ausführungsbeispiele von stabilen Oszillatoren mit einem Hohlraumresonator gemäß der Erfindung beschrieben?

Figur 4 veranschaulicht eine aus einem aktiven bipolaren

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Element AT bestehende Vorrichtung auf dem Mikrostreifen MST. Wie schematisch dargestellt, kann diese Vorrichtung mit einem LC-Reihenresonanzkreis mit negativem Widerstand (-R) und niedrigem Gütefaktor ausgelegt sein. Über die Blende IR ist ein zylindrischer Hohlraumresonator gemäß der Erfindung, der aus Bemessungsgründen in der TM_01Q-Betriebsart betrieben wird, mit dieser Vorrichtung verbunden. Außerdem ist über diese Blende auch eine reaktive Schaltung schwach angekoppelt. Diese Schaltung ist ebenfalls auf einer Platte der aktiven Vorrichtung angeordnet. Die Ankopplung ist in Figur 3B veranschaulicht.

Figur 5 veranschaulicht das Äquivalentschaltbild, welches eine aktive Vorrichtung A, eine Last B, einen Hohlraumresonator C und eine Feineinstelleinrichtung D umfaßt. Wenn folgende Bedingungen gelten:

Q₂ » Q₁

I f₂ - f₁ I < K · f_Q, mit K « 1 , und ]-R| < Z_Q, wobei bedeuten:

^Q2 ^fO

Q₁ - -R

^f2 ' ^Zo

^f1
K

dann werden durch zweckmäßige Änderung der Ankopplung (n : 1) die folgenden Oszillationsbedingungen am Streifen MM" erreicht;

²O // ^Req - |-^RI ' ^Xeq

Die in Figur 6 veranschaulicht2 mechanische Konfiguration dieser Vorrichtung ist derart, daß die Schwingungsfrequenz durch einfaches Auswechseln des Hohlraumresonators geändert werden kann. Die Anordnung gemäß Figur 6 umfaßt einen Aluminiumkörper 1, einen mit dem Quarz-Hohlraumresonatorkörper 4 verlöteten Ring 2, Stäbe 3, einen mit dem Ring 2 versehenen Hohlraumresonator 4, Schrauben 5, einen Mikrostreifen 6 und eine Ankoppelfläche A.

Der Aus Invar bestehende Ring 2 ist mit dem Hohlraumresonatorkörper 4 verlötet. Der Ring hält den Resonatorkörper 4 mittels der Stäbe 3 schwebend. Hierdurch werden die mechanische Lage des Hohlraumresonators relativ zur Achse der Ankopplungsbohrung sowie Massekontinuität gewährleistet.

Ersichtlicherweise ist die Erfindung keineswegs auf die vorstehend dargestellten und beschriebenen Aus-

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führungsformen beschränkt, sondern verschiedenen Änderungen und Abwandlungen zugänglich; beispielsweise kann die Erfindung auch auf eine Einzelphase anstelle von zwei oder drei Phasen angewandt werden.

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Claims

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Patentansprüche :

Temperaturstabilisierter, frequenzeinstellbarer Hohlraumresonator mit einem Resonatorkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (CM) aus reinem amorphen Quarz hergestellt und mit mindestens einer Metallisierungsschicht überzogen ist.
2. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen rechteckigen, quaderförmigen oder zylindrischen Körper (CM) · aus amorphen Quarz optischer Güte aufweist.
3. Hohlraumresonator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die außenseitige Metallschicht eine dünne erste Schicht aus einem Metall hoher Leitfähigkeit sowie eine zweite Verdickungs- bzw„ Verstärkungsschicht umfaßt.
4. Hohlraumresonator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß zur Ankopplung an externe Schaltungen von kleinen Bereichen des Körpers die Metallschicht abgetragen ist.

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5. Hohlraumresonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine kapazitive Ankopplung vorgesehen ist, insbesondere über einen Koppelstift (SO),der in eine im Quarzkörper "vorgesehene Bohrung (FSO) eingesetzt ist.
6. Hohlraumresonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung unter einem elektrischen Feld, insbesondere über Blenden (IR) erfolgt.
7. Hohlraumresonator nach den Vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß er an aktive Schaltungen angekoppelt ist, welche durch die Hohlraumresonatorfrequenz stabilisierte Oszillatoren bilden.
8. Hohlraumresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er in Reihen- oder Parallelschaltung zur Last, in Rückkopplungsschaltung oder in Parallelschaltung zum aktiven Element angeordnet ist.
9. Hohlraumresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfrequenz des Festfrequenz-Oszillators durch Auswechseln des Hohlraumresonatorkörpers änderbar ist.

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1o„ Verfahren zur Herstellung eines Hohlraumresonators nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quarzstab zu kleinen, vorzugsweise zylindrischen Stäben der erforderlichen Abmessungen geschnitten wird, daß diese Stäbe mit mindestens einer ersten dünnen Metallschicht versehen werden und daß auf die erste dünne Metallschicht eine zweite, . dickere (Metal3)schicht aufgebracht wird.

ο Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,: daß die erste Metallschicht entweder mittels eines leitfähigen Metallbades oder durch Bestreichen des Stabes mit einem Metallack aufgetragen wird und daß die zweite Metallschicht auf galvanischem Wege aufgebracht wird«