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Oszillator mit H101-Hohlraumresonator und Verfahren
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zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen Oszillator nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Herstellungsverfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 9. Ein solcher Oszillator ist bekannt aus der DE-AS 25 52 352.
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Die Problematik bei solchen Oszillatoren besteht darin, die steigenden
Qualitätsanforderungen bezüglich Frequenzstabilität, niedrigem Eigenrauschen und
geringer Mikrophonie bereits mit einem möglichst einfachen Aufbau des Oszillators
zu erfüllen. Gleichzeitig muß die Modenreinheit gewährt sein; in diesem Zusammenhang
hat sich die K 101-Hohlraumresonanz bewährt, und zwar auch wegen der Einfachheit
des Aufbaus und der großen Abstimmbandbreite, da der Frequenzabstand zu den nächsten
Schwingmoden bei diesem Resonanztyp am größten ist.
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Schwierigkeiten gibt es bei der Fertigung des Resonators, da seine
Hohlraumwandung, also die Innenflächen des Reso-
nators, in Anbetracht
der notwendigen Leerlaufgüte versilbert oder vergoldet werden muß ; und ein ausreichender
Zugang zum Resonatorinneren für die Montage des Dioden-Schwingelementes (Gunn, Impatt)
gegeben sein muß.
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Um die Innenflächen eines Rechteckresonators der HIOResonanz (p I
1,2,...) galvanisch vergüten zu können, muß der Resonator in zwei Teile zerlegbar
sein. Dadurch ist zwangsweise die Leerlaufgüte begrenzt, da nach der Oberflächenvergütung
eine Hartverlötung der zwei Teile wegen der Diffusion des Oberflächenmaterials (Gold,
Silber) ins Grundmaterial, verursacht durch die hohen Löttemperaturen (600 bis 7000C)
nicht möglich ist. Eine Herabsetzung der Diffusionsvorgänge durch Verwendung eines
Lotes mit niedrigerer Schmelztemperatur hat andere Nachteile zur Folge: Durch Rekristallisation
des Lotes nach der Lötung (Alterung) sinkt die Haftfestigkeit bis auf einen Wert,
der etwa 30 % des Wertes unmittelbar nach der Lötung entspricht. Die nötige mechanische
Stabilität und somit die Zuverlässigkeit sind damit nicht mehr in ausreichendem
Maße gegeben. Dazu kommt, daß die unvermeidbaren Lötrückstände Korrosion begünstigen,
was eine Verschlechterung der Leerlaufgüte des Resonators bewirkt.
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Verschraubt man die beiden Resonatorteile, so wird durch den restlichen
Spalt an der Kontaktierungsstelle eine Störung im Verlauf der Stromlinien bewirkt,
was zu einer Verschlechterung der Leerlaufgüte führt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Oszillator anzugeben, der hohe
Anforderungen, insbesondere bezüglich der Frequenzkonstanz erfüllt bei einfachem
Aufbau.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Oszillator mit den
Merkmalen
des Patentanspruches 1 bzw. durch das Herstellungsverfahren nach Anspruch 9. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Dabei ist von der Überlegung ausgegangen worden, daß die Stabilität
eines Oszillators überwiegend durch die Güte seines Resonators gegeben ist. Bei
niedriger Güte ist die Frequenzstabilität gering, sind die Rauschwerte schlecht,
ist das Auftreten von Störmoden möglich und die Abhängigkeit von Betriebsfrequenz
und Hochfrequenz-Ausgangsleistung von Schwankungen der Versorgungsspannung und des
Lastwiderstandes in hohem Maße gegeben. Es kam daher darauf an, die Leerlaufgüte
bei Zugrundelegung des einfachen Aufbaus möglichst weit zu erhöhen. Sie ist bei
dem Oszillator nach der Erfindung groß genug, um weitgehend für den Temperaturgang
der Resonanzfrequenz des Oszillators allein verantwortlich zu sein. Daraus ergab
sich der zusätzliche Vorteil, einer einfachen Temperaturkompensation; denn da die
Temperaturabhängigkeit des Resonators nahezu linear ist, erhält man schon bei Verwendung
der gebräuchlichen Kompensationsmittel mit ebenfalls nahezu linearer Temperaturabhängigkeit
einen Oszillator hoher Frequenzstabilität.
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Die hohe Leerlaufgüte ist dabei dadurch erreicht worden, daß einerseits
die Hohlraumwandung stromlos vergütet (versilbert oder vergoldet) ist, und zwar
lückenlos, indem die Hartverlötung der Resonatorteile v o r h e r durchgeführt worden
ist, und daß aber andererseits für den Arbeitsgang der stromlosen Vergütung zwar
Durchbrüche in der Hohlraumwandung vorgesehen sind, jedoch an solchen Stellen, wo
die Durchbrüche kaum einen negativen Einfluß auf die Leerlaufgüte haben. Ihrem Zweck
entsprechend müssen die Durchbrüche zum Resonatorinneren wenigstens so groß sein,
daß eine stromlose Oberflächenvergütung in solcher Qualität möglich ist, daß die
Oberflächenschicht auf der Hohlraum-
wandung des Resonators genügend
homogen herstellbar ist.
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Ein zusätzliches wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin,
daß der zweite Durchbruch am Ort des Schwingelementes vorgesehen ist, wo er nur
geringfügige Störungen im Verlauf des Resonanzstromes verursacht, da dieser hier
vorwiegend über das Schwingelement fließt. Die Güteverschlechterung ist somit vernachlässigbar.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert, und es
werden Ausführungsbeispiele gegeben.
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F G. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung des Hohlraumresonators mit Koordinaten
x,y,zF FIG. 2 stellt zwei Ausführungsbeispiele im Schnitt (entsprechend C-C' in
Fig. 1) dar (Teilfiguren a und b) und zeigt eine Detaildarstellung in der Teilfigur
2c; FIG. 3 gibt Ausführungsmöglichkeiten für die Temperaturkompensation an.
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In FIG. 1 sind die Strom linien aufder Oberfläche der Hohlraumwandung
eines H1Ol-Hohlraumresonators durch Pfeile angegeben. Der Schnitt C-C' entlang der
x/z-Ebene weist auf die FIG. 2a,b hin, der Schnitt B-B' auf die FIG. 3.
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In FIG. 2a ist der Hohlraum 1 aus FIG. 1 wiederzuerkennen.
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In der Ebene der Hohlraumwand 2 (vgl. auch FIG. 1) ist senkrecht zu
den magnetischen Feldlinien der x/z-Ebene das Schwingelement 3 (Gunn- oder Impatt-Diode)
angeOrdnet, und zwar vor einem Durchbruch-4 und in der Ebene der Hohlraumwand 2.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Hohlraumes l, ungefähr im Abstand einer halben
Hohlleiterwellenlänge A /2) befindet sich eine Auskoppelblende (Iris) pw,
deren
Durchbruch zu einem Auskopplungsraum 6 mit koaxialer Auskopplungsanordnung 7 führt.
Das den Auskopplungsraum 6 umgebende Teil ist mechanisch zweckmäßigerweise durch
eine Schraubverbindung mit dem Teil verbunden, das den durch die Auskoppelblende
5 abgeschlossen Resonanz-Hohlraum 1 umgibt, wobei die Fuge F außerhalb des Resonanz-Hohlraumes
l liegt.
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Der Durchbruch in der Iris 5, also der erste Durchbruch, bildet den
für die stromlose Oberflächenvergütung notwendigen ersten Zugang zum Hohirauminneren.
Der zweite Zugang ist der zweite Durchbruch 4.
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Die Verhältnisse nach FIG. 2b weichen insofern ab, als hier gegenüber
der Hohlraumwand 2 in einer Hohlraumwand 8 der erste Durchbruch nicht in einer Iris
vorgesehen ist, sondern ein Durchbruch 9 ähnlich dem Durchbruch 4 vorhanden ist,
jedoch mit induktiver (koaxialer) Auskopplungsanordnung 10 versehen.
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Den ersten Zugang für die stromlose Vergütung bildet der erste Durchbruch
9, dessen Abmaße den Anforderungen der Auskopplung entsprechend verschieden von
den Abmaßen des Durchbruches 4 sein können. Es muß lediglich die Breitseite des
Durchbruchs 9 kleiner als die halbe Wellenlänge der Betriebsfrequenz sein.
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Zur Dimensionierung des Durchbruches 4 am Schwingelement sind in FIG.
2c Angaben gemacht: Während die Höhe bades Durchbruches über die ganze Schmalseite
b des Hohlraumes 1 für eine optimale Anpassung des Schwingelementes an den Resonator
variiert werden kann, muß die Breite aDkleiner als die halbe Wellenlänge der Betriebsfrequenz
im freien Raum bleiben, so daß die Betriebs frequenz unterhalb der Grenzfrequenz
dieses Durchbruches 4 liegt und somit eine unerwünschte Beeinflussung des Schwingverhaltens
vermieden wird, insbesondere auch dann, wenn der Durchbruch 4 zum Betrachter hin
durch einen elektrisch kontaktierenden Deckel abgeschlossen ist, durch dessen kontaktgabe
undefinierte Verhältnisse hervorgerufen werden könnten.
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Der so konzipierte Resonator 1 trägt den. Forderungen an eine hohe
Leerlaufgüte Rechnung, indem für die notwendige Oberflächenvergütung und für den
ungestörten Verlauf der Resonanzströme weitgehend gesorgt ist.
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dadurch, daß das Schwingelement 3 im Bereich der Kurzschlußebene (x/y-Ebene)
an den Resonator gekoppelt ist, sind dem Schwingelement 3 die Induktivität der nahen
Hohlraumwand 2 und die aus der evanescent mode"-Welle (Welle des Dämpfungstyps)
resultierende, nahezu frequenzunabhängige Induktivität parallel geschaltet. Die
Ankopplung des Schwingelementes 3 an den Resonator 1 ist somit breitbandig.
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Zur Ermittlung der optimalen Ankopplung des Schwingelementes 3 bzw.
eines Auskoppelelementes (z. B. induktive Auskopplung 10 mit Auskoppelstift) an
den Resonator wird die Lage des Schwingelementes bzw. des Auskoppelstiftes in bezug
auf die jeweilige resonatorseitige Durchbruchkante geringfügig verändert.
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Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß bei einem Versuchsresonator
die Kurzschlußebene der Breite a mit dem jeweiligen Durchbruch im Resonator verschiebbar
ist. Für eine ausreichende Kontaktierung können die jeweiligen Flächen mit Leitsilber
versehen oder nach Festlegung der Position mit niedrig schmelzendem Lot fixiert
werden.
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Die Lage des Schwingelementes bzw. des Auskoppelstiftes ist abhängig
vom Wellenwiderstand und somit vom Resonanzwiderstand des Resonators sowie der Impedanz
des Schwingelementes bzw. des Lastwiderstandes. Bei kritischer Kopplung befinden
sich Schwingelement sowie Auskoppelstift etwa in der Kurzschlußebene, bei unterkritischer
Kopplung geringfügig im Bereich des Durchbruchs, bei überkritischer Kopplung im
Bereich des Resonators. Für einen optimalen Oszillatorbetrieb
sind
Lastwiderstand und Schwingelement geringfügig unterkritisch gekoppelt.
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Die Länge 1 des Durchbruches 4 bis zur Ebene 11 der Deckelkontaktierung
ist zugleich als Länge einer durch den Durchbruch gebildeten Abstimmleitung für
die erste Oberwelle aufzufassen, die hier ausbreitungsfähig ist, so daß eine Optimierung
des Oszillators durch Variation des Abschlusses dieser Abstimmleitung vorgenommen
werden kann. Aus der Richtung des Resonators ist eine Beeinflussung des Schwingelementes
nur in geringem Maße gegeben, da die erste Oberwelle im H20 Schwingmodus auftritt,
welcher in der Mitte der Hohlleiterbreitseite (Hohlraumwand 2 parallel zur Ebene
11) ein Spannungsminimum aufweist und somit nur schwach mit dem dort befindlichen
Schwingelement (in FIG. 2c nicht gezeigt) gekoppelt ist.
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Die fast vollständige Erhaltung der Kurzschlußfläche (Hohlraumwand
2) in der Ebene des Schwingelementes 3 ermöglicht eine nahezu unverzerrte Feldverteilung
des Resonanztyps. Dadurch wird ebenso ein hoher Beitrag für eine hohe belastete
Güte des Resonators geleistet wie durch die Kopplung des Schwingelementes an den
Resonator bei Nutzung der "evanescent mode"-Welle (Welle des Dämpfungstyps).
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Aufgrund der hohen Leerlaufgüte des Resonators ist der Temperaturgang
des Oszillators weitgehend durch den Resonator gegeben, welcher mit einfachen Mitteln
kompensiert werden kann.
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Die platzsparende Art der Ein- und Auskopplung ohne größeren Güteverlurst
des Resonators gestattet die weitere Einbringung von Ein- und Auskoppelstellen entsprechend
FIG. 2d. Die Koppelstellen können mit aktiven oder passiven Bauelementen belegt
und entsprechend für Amplituden- oder Frequenzmodulation bzw.
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Amplituden- oder Frequenznachregelung, Frequenzvervielfachung, -mischung,
Leistungsaddition oder auch als zusätzliche Hochfrequenz-Auskoppelstellen genutzt
werden.
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In FIG. 3a ist gezeigt, wie man zur Temperaturkompensation des Oszillators
den Längsausdehnungskoeffizienten zweier Materialien nützen kann: Ein Stift 12 mit
niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, z.B. ein Keramikstift, taucht aufgrund der unterschiedlichen
Ausdehnung von Gehäuse 13 und Stift 12 in Abhängigkeit von der Temperatur bei niedrigen
Temperaturen weit und bei hohen Temperaturen weniger weit in den Resonator 1 ein
und kompensiert durch die unterschiedlich kapazitive Belastung den Temperaturgang
des Oszillators.
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Nachteilig ist dabei, daß der Oszillator bei Anwendungen in Systemen,
die Vibrationen ausgesetzt sind, unerwünschte Mikrophonie aufgrund des langen Abstimmstiftes
12 aufweist.
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Besser ist daher die Kompensation unter Ausnutzung der temperaturabhängigen
Dielektrizitätskonstante eines Stiftmaterials entsprechend einer Weiterbildung der
Erfindung, wie in FIG. 3b gezeigt. Die für die Kompensation notwendige Änderung
der kapazitiven Belastung wird hier schon bei kurzen Stiftlängen erreicht, so daß
der Oszillator geringe Mikrophonie aufweist. Zur Vermeidung von Verlusten durch
Kriechströme in Gewinde des Stifthalters 14 müssen die Hochfrequenzströme vor dem
Gewinde kurzgeschlossen sein.
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Der Stifthalter 14 wird zu diesem Zweck auf Anschlag geschraubt, oder
der dielektrische Stift 15 wird über eine genügend große Länge durch eine Bohrung
geführt, so daß eine genügend große kapazitive Ableitung vor dem Gewinde stattfindet.
Die dazu notwendig größere Stiftlänge verschlechtert die Vibrationsfähigkeit des
Oszillators nur unerheblich, da für die Bohrung eine Länge von ungefähr t/6
(
k . Wellenlänge im Stift 15) ausreicht. Aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante
des verwendeten dielektrischen Materials (z.B £ r 90 bei Ti02) ist der Stift dUnn
und somit das Eigengewicht gering, so daß die Verschlechterung bzgl. der Mikrophonie
gering bleibt.
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Bei Oszillatoren mit kleiner Abstimmbreite kann der Stift halter 14
auf Anschlag geschraubt werden und zum Grobabgleich dienen (vgl. auch FIG. 3c).
Mit einer zweiten Abstimmvorrichtung (Stifthalter 16, Stift 17) kann die Frequenz
fein eingestellt werden. Bei großer Abstimmbandbreite muß die größere Länge der
Bohrung für den Stift 15 vorgesehen werden, da der Grobabgleich variabel sein muß.
In diesem Fall kann der Feinabgleich auch mit der Temperaturkompensation vorgenommen
werden, so daß eine zusätzliche Feinabgleicheinrichtung entfällt.
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In der FIG, 3 sind im Gegensatz zu den anderen Figuren noch Deckel
18 und 19 zum Abschluß der DurchbrUche 4 bzw. 9 dargestellt.
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Mit Hilfe des beschriebenen Oszillators läßt sich eine hohe Leerlaufgüte
erzielen, womit nicht nur die Voraussetzung für eine hohe Frequenzkonstanz, sondern
auch für geringes Eigenrauschen gegeben ist. Durch die Wahl des Resonanzmodus (H10l-Hohlraumresonanz)
und die Art des Aufbaues (Anpassung des Schwingelementes und der Auskopplung an
den Resonator mit Hilfe von Leitungsstücken, deren Grenzfrequenz oberhalb der Betriebsfrequenz
liegt) wird das Auftreten unerwünschter Schwingmoden wirksam verhindert. Aufgrund
der Modenreinheit zeigt der Oszillator gutes Schaltverhalten und eignet sich für
die Ansteuerung mit digitalen Signalen (Tastung der Versorgungsspannung). Wegen
seiner hohen Frequenzkon stanz darf bei dem Oszillator der Fangbereich klein sein.
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Er eignet sich damit als spannungsgeregelter Oszillator
in
PLL-AFC-stabilisierten Hochfrequenzquellen. Die Frequenznachregelung kann dabei
über die Versorgungsspannung unter Ausnutzung des pushing Faktors erfolgen. Die
Art der Temperaturkompensation (Verwendung von Materialien mit temperaturabhängiger
DielektrizitAtskonstante) erlaubt die Verwendung von Abstimmstiften geringer Längen,
so daß mechanische Schwingungen durch den einseitig fixierten Stift vernachlässigbar
sind. Der Oszillator eignet sich daher wegen seiner geringen Mikrophonie auch für
beweglichen Einsatz.