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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft einen temperaturkompensierten Stabresonator,
einen Filter mit einem solchen Stabresonator und eine Bimetallplatte
zur Verwendung in einem solchen Stabresonator. Besonders betrifft
die Erfindung einen Stabresonator mit
- – einem
Gehäuse
mit elektrisch leitenden Wänden,
einschließlich
Seitenwänden,
einer Bodenwand und einer Deckenwand,
- – wenigstens
einem elektrisch leitenden Resonatorstab, der sich von der Bodenwand
in Richtung zur Deckenwand erstreckt, wobei ein oberer Endabschnitt
des Stabs in einem vorbestimmten Abstand von der Deckenwand angeordnet
ist, um eine Resonanzfrequenz zu definieren,
- – einer
temperaturkompensierenden Platte, die neben der Deckenwand angeordnet
und dafür eingerichtet
ist, ihre geometrische Konfiguration entsprechend Temperaturveränderungen
zu verändern,
und
- – Kupplungsmitteln,
um elektrische Energie zum und vom Resonator zu übertragen.
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Solche
Stabresonatoren sind besonders geeignet als strukturelle Teile von
Filtern in Radiovorrichtungen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG – STAND
DER TECHNIK
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Es
gibt Resonatoren und Filter von vielen verschiedenen Arten, z. B.
Hohlraumresonatoren, koaxiale Resonatoren mit einem Mittelstab (beispielsweise
der oben angegebenen Art) und dielektrische Filter. In allen diesen
Arten von Resonatoren hat man sich bemüht, Dimensionsveränderungen, die
durch Temperaturveränderungen
verursacht werden, zu kompensieren, um die Resonanzfrequenz im wesentlichen
konstant zu halten.
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Eine
klassische Methode kombiniert dazu verschiedene Materialien mit
verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
in verschiedenen Abschnitten des Resonators. Ein anderer Weg ist
die Verwendung von Bimetallelementen, um die gewünschte Temperaturkompensation
zu erreichen.
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In
einem Hohlraumresonator, der in
US-A-3,414,847 (Johnson) beschrieben ist,
ist eine der einen boxartigen Hohlraum definierenden Wände oder
wenigstens ein Teil einer solchen Wand aus einer Bimetallscheibe
gebildet, die in ihrer Gesamtheit bezüglich der anderen Wände des
Hohlraums beweglich ist, in erster Linie, um eine Abstimmung des Resonators
zu ermöglichen.
Die Scheibe ist auf einem axial beweglichen Pflock oder Schaft montiert, wodurch
der Resonator auf eine gewünschte
Resonanzfrequenz abgestimmt werden kann. Die Bimetallscheibe verändert ihre
geometrische Form bei Veränderung
der Temperatur und die Struktur zielt auf eine Kompensation der
durch Temperaturveränderung
hervorgerufenen Dimensionsveränderungen durch
eine solche Veränderung
der Scheibenform. Da jedoch die Resonanzfrequenz von der Gesamthöhe oder –länge des
Hohlraums abhängt
und der Abstand zwischen der Scheibe und der gegenüberliegenden
Wand des Hohlraums verhältnismäßig groß ist, ist
der Kompensationseffekt verschieden je nach der besonderen Stellung
der Scheibe, die beim Abstimmen des Resonators erhalten wird. Es
ist daher schwierig, eine genaue Temperaturkompensation zu erreichen.
Darüber
hinaus sind die Gesamtabmessungen eines Hohlraumresonators dieser
Art verhältnismäßig groß, wenigstens
im Frequenzbereich von etwa 1–2
GHz.
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Eine ähnliche
Vorrichtung ist beschrieben in
SU-836-711 (Savshinskii),
wo das kompensierende Element eine elastische kuppelförmige Platte
ist, die am Umfang in einem metallischen Halter gesichert ist, der
einen anderen Ausdehnungskoeffizienten als der der Platte hat. Die
Biegung der Platte, die temperaturabhängig ist, bestimmt die effektive
Länge des Hohlraums.
Jedoch treten die gleichen Schwierigkeiten wie im vorangehenden
Beispiel des Standes der Technik auf.
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Ähnlich beschreibt
US 3,740,677 (Motorola) einen
Hohlraumresonator, wo ein Stempel auf einem Schaft mittels zweier
auf dem Schaft montierter Bimetallscheiben verschiebbar ist. Die
jeweiligen Umfangskanten der Scheiben sind an entgegengesetzten
Seiten des Stempels gehalten, wodurch der Stempel insgesamt verschoben
wird, wenn die Scheiben entsprechend Temperaturveränderungen ihre
Form verändern.
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Weiterhin
ist ein dielektrischer Resonator mit einer temperaturkompensierenden
Bimetallplatte in
JP-3-22602 beschrieben.
Hier ist die Platte an einer Abstimmschraube montiert in entgegengesetzter
Beziehung zu einem dielektrischen Resonatorkörper, der im wesentlichen den
gleichen Durchmesser wie die Platte hat. Selbstverständlich ist
in einem solchen dielektrischen Resonator der Hauptteil der elektromagnetischen
Energie im dielektrischen oder keramischen Körper eingeschlossen. Daher
ist die Wirkung der Veränderung
der geometrischen Konfiguration der Platte nur geringfügig. Darüber hinaus
ist es bei einem verhältnismäßig großen Abstimmbereich
praktisch unmöglich,
die gewünschte
Temperaturkompensation zu erreichen, um die Resonanzfrequenz bei
einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten.
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Ein
anderes Beispiel von Resonatoren des Standes der Technik mit einer
temperaturkompensierenden Platte ist der in
US-A-5,304,968 (LK-Products OY)
beschriebene koaxiale Resonator, der von der Art ist wie im obigen
ersten Absatz definiert. Der Mittelteil der Platte ist in einem
Abstand von der Deckenwand des Resonators angeordnet und die Platte
hat zwei gegenüberliegende
Randabschnitte, die an der Deckenwand angebracht sind. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Deckenwand und der Platte sind verschieden. Daher verändert die
Platte ihre Konfiguration bei Veränderung der Temperatur, wodurch
die Kapazität
zwischen der Deckenwand und dem freien Ende der Resonatorstange
verändert wird.
Wegen der kleinen Fläche
des freien Endes des Stabs ist es jedoch schwierig, eine gut definierte
Kapazität
und eine genaue Temperaturkompensation zu erhalten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine verbesserte Temperaturkompensation eines Resonators der oben
im ersten Absatz beschriebenen Art zu erhalten, um die Resonanzfrequenz
trotz unvermeidbarer Temperaturveränderungen bei einem im wesentlichen
konstanten Wert zu halten.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, die Verwendung von Werkstoffen zu ermöglichen,
die weniger temperaturstabil sind, und geeignete Werkstoffe auszuwählen, ohne
daß Werkstoffe
mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
gemischt werden müssen.
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Noch
eine weitere Aufgabe ist es, die Abstimmung der Resonanzfrequenz
unabhängig
von den zur Temperaturkompensation erforderlichen Maßnahmen
zu ermöglichen.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Resonator mit kleinen
Abmessungen zu schaffen, der verhältnismäßig einfach herzustellen ist.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
durch einen erfindungsgemäßen Resonator,
der die folgenden Merkmale aufweist:
Die temperaturkompensierende
Platte ist eine Bimetallplatte mit einem größeren Durchmesser als der Resonatorstab.
Der Mittelteil der Bimetallplatte ist am oberen Ende des Resonatorstabs
befestigt, wodurch die Bimetallplatte in Verbindung mit der benachbarten
Deckenwand eine Kapazität
definiert, die einen beherrschenden Einfluß auf die Resonanzfrequenz hat,
wobei eine Verringerung der geometrischen Länge des Stabs im Vergleich
mit einem Stab ohne eine solche Platte erreicht wird. Darüber hinaus
kann der Umfangsabschnitt der. Bimetallplatte sich entsprechend
Temperaturveränderungen
frei abbiegen, wodurch die Kapazität zwischen der Bimetallplatte
und der Deckenwand verändert
wird, um durch Temperaturveränderung
hervorgerufenen Dimensionsveränderungen
des Gehäuses
und des Resonatorstabs entgegenzuwirken.
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Tests
haben gezeigt, daß man
mit einem Stabresonator mit einer solchen Struktur eine sehr stabile
Resonanz erreichen kann. Wegen der verhältnismäßig großen effektiven Fläche der
Bimetallplatte kann die Kopfkapazität (zwischen der Platte und
der Deckenwand) bei einem hohen Wert gehalten werden, während zwischen
ihnen ein bestimmter Mindestabstand beibehalten wird, wodurch die
Toleranzen der Strukturelemente (der Deckenwand und der Platte)
auf vernünftigen
Niveaus gehalten werden können,
was die Herstellung des Resonators erleichtert.
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Auch
kann die Fähigkeit
zur Energieumsetzung gesteigert werden wegen des verhältnismäßig großen Spalts
zwischen dem oberen Ende des Stabs und der Deckenwand. So wird das
Risiko eines Koronadurchschlags herabgesetzt.
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Im
Grunde ist die Bimetallplatte oder wenigstens deren Mittelteil stationär, da ihr
Mittelteil am Kopfendteil des festen Resonatorstabs befestigt ist. Selbst
bei der Durchführung
der Abstimmung, beispielsweise mittels eines an der benachbarten
Deckenwand angeordneten Abstimmelements werden die Bimetallplatte
und die benachbarte Deckenwand stationär in Be ziehung zueinander gehalten.
So tritt in dem Bereich, wo die Temperaturkompensation vorgenommen
wird, d. h. am Umfangsabschnitt der Bimetallplatte, keine Veränderung
als Folge des Abstimmvorgangs auf. Daher ist die Temperaturkompensation
durch das Abstimmen im wesentlichen nicht beeinflußt.
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Es
hat sich gezeigt, daß die
Herstellung eines Stabresonators gemäß der Erfindung verhältnismäßig einfach
und billig ist. Das Gehäuse
kann aus Aluminium in einem Formverfahren hergestellt werden und
die Werkstoffe für
andere Teile des Resonators können.
nach Belieben ausgewählt
werden, ohne die verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zu berücksichtigen.
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Jedoch
werden dank der verhältnismäßig kurzen
geometrischen Länge
des Resonatorstabs die Gesamtabmessungen des Resonators und irgendeines
einen oder mehrere solcher Resonatoren enthaltenden Filters klein
sein. Das ist offensichtlich ein großer Vorteil in vielen praktischen
Anwendungen, wie in Radiovorrichtungen, beispielsweise in Basisstationen
für Mobiltelefonsysteme
und dergleichen.
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Aus
praktischen Gründen
kann es auch vorteilhaft sein, für
das Gehäuse
und möglicherweise auch
den Resonatorstab Kunststoffmaterialien zu verwenden, die mit einem
elektrisch leitenden Material beschichtet sind. Selbstverständlich kann
der Stab aus einem anderen Material als das Gehäuse hergestellt sein, solange
der Oberflächenabschnitt desselben
elektrisch leitend ist.
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Wie
oben angegeben, ist es wichtig, daß die Bimetallplatte am Kopfendabschnitt
des Resonators sicher befestigt ist. Das kann praktisch durchgeführt werden,
indem man die Bimetallplatte in der Form eines Ringelements mit
einem Loch herstellt, das im wesentlichen der Querschnittsform des
Resonatorstabs entspricht (an dessen oberen Endabschnitt – im Prinzip
kann der Resonatorstab in verschiedenen Längsabschnitten desselben verschiedene
Querschnitte haben). Eine bevorzugte Art der Befestigung der Platte
ist die Verwendung einer Nietverbindung. Diese und andere Merkmale
sind in den beigefügten Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten im folgenden beschrieben
mit Bezug auf die Zeichnungen, die einige bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung erläutern.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt
in einer schematischen Schnittansicht von der Seite einen Stabresonator
gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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2 bis 5 zeigen
in Teilansichten in einem größeren Maßstab verschiedene
Modifikationen der Verbindung zwischen dem Stab und der Bimetallplatte,
die im Stabresonator der 1 eingeschlossen ist;
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6 zeigt
ebenso in einer schematischen Schnittansicht von der Seite eine
zweite Ausführungsform
des Resonators mit drei Stäben.
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GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Der
in 1 dargestellte Resonator weist auf: ein zylindrisches
oder kastenförmiges
Gehäuse 10 mit
einer Bodenwand 11, Seitenwänden 12 und einer
Deckenwand 13, die als ein Deckel gebildet ist, sowie einen
zentralen Resonatorstab 14, der normalerweise eine elektrische
Länge hat,
die einem Viertel der Wellenlänge
(bei der normalen Betriebsresonanzfrequenz) entspricht. Die Wände 11 bis 13 des Gehäuses 10 sowie
der Stab 14 können
aus einem elektrisch leitenden Material, z. B. einem metallischen
Material wie Al hergestellt sein. Statt dessen können diese Elemente aus einem
Kunststoffmaterial hergestellt sein, das an der Innenseite mit einem elektrisch
leitenden Material beschichtet ist, so daß der im Gehäuse 10 gebildete
Hohlraum 15 durch elektrisch leitende Wandflächen definiert
ist. Der insoweit beschriebene Resonator ist ein koaxialer Resonator,
worin ein elektromagnetisches Feld mit einer Resonanzfrequenz erregt
werden kann, indem der Resonator mit Eingangs- und Ausgangskupplungsmitteln
verbunden wird (in 1 nicht gezeigt), wie per se
bekannt. So kann der Resonator als ein Bandpaßfilter mit einem Durchlaßbereich,
der um die Resonanzfrequenz herum zentriert ist, verwendet werden.
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Wie
dem Fachmann ebenfalls bekannt befindet sich eine Abstimmanordnung 16 im
Mittelabschnitt der Deckenwand 13 mit einer Abstimmschraube 17 und
einer Feststellmutter 18. Dadurch kann die Resonanzfrequenz
innerhalb bestimmter Grenzen auf einen bestimmten Wert abgestimmt werden.
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Erfindungsgemäß ist eine
Bimetallplatte 20 am oberen Endabschnitt des Resonatorstabs 14 montiert,
um die Temperaturkompensation zu erreichen. Der Mittelabschnitt 21 der
Platte 20 ist am Stab 14 sicher befestigt, während deren
Umfangsabschnitt 22 sich entsprechend Temperaturveränderungen
frei nach oben und unten biegen kann, wie in 1 durch
die punktierte Linie gezeigt. Dadurch wird den durch Temperaturveränderung
hervorgerufenen Dimensionsveränderungen
des Gehäuses 10 und
des Stabs 14 entgegengewirkt, um eine damit zusammenhängende Veränderung
der Resonanzfrequenz zu verringern oder selbst zu beseitigen, wie oben
diskutiert. Auch werden die Länge
des Stabs 14 und die Gesamtabmessungen des Resonators dank der
Platte 20 verringert.
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Der
Außendurchmesser
der Bimetallplatte 20 sollte größer als der Durchmesser des
Stabs 14 sein, vorzugsweise 1,5 bis 4 Mal der Durchmesser des
letzteren, um die oben erwähnten
vorteilhaften Wirkungen zu erhalten.
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Vorzugsweise,
wie in den 2 bis 5 dargestellt,
ist die Platte ein Ringelement 20', 20'' mit einem
Mittelloch 21',
das im wesentlichen der Querschnittsform des Resonatorstabs 14', 14'' entspricht. Vorteilhafterweise
hat der obere Endabschnitt des Stabs 14' in der Mitte eine Vertiefung oder
Bohrung 23, die teilweise die Abstimmschraube 17 aufnehmen
kann, falls erforderlich, ohne letztere zu berühren.
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Die
Bohrung 23 definiert einen oberen Buchsenabschnitt 24 des
Stabs 14',
der mit einer Anschlagschulter 25 versehen ist, die durch
einen äußeren Absatz
am Kopf des Buchsenabschnittes 24 gebildet ist. Hierdurch
erhält
das Bimetallringelement 20' einen
Sitz in einer gutdefinierten Stellung. Eine sichere Befestigung
des Ringelements kann erreicht werden durch Verformen des Materials
des Buchsenabschnitts 24 gegen die Innenkante des Lochs 21'.
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Als
eine Alternative kann eine gesonderte Hülse 26 in die zentrale
Vertiefung 23 eingesetzt werden. Wie in 3 gezeigt,
ist ein Bodenflansch oder eine Bodenwand 27 am Boden der
Vertiefung 23 mittels einer Befestigungsschraube 28 befestigt.
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Das
Ringelement 20' kann
an der oberen Kante des Lochs 21' abgefast sein, wie bei 29 in 4 gezeigt,
wodurch das Nieten der Buchse 24 oder Hülse 26 erleichtert
und die sichere Befestigung des Ringelements in einer festgelegten
Position erreicht wird.
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Eine
weitere Abwandlung der Verbindung zwischen dem Stab 14'' und der Platte 20'' ist in 5 gezeigt,
wo ein massiver oberer Abschnitt des Stabs 14'' mit einer außen umlaufenden Nut 30 mit einem
gewölbten
Querschnitt versehen ist. Das Ringelement 20'' hat
eine abgerundete innere Kante 31, die in die Nut 30 paßt und das
Ringelement 20'' in Position
hält aber
eine Biegebewegung desselben zuläßt.
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6 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Resonators,
der mit drei Resonatorstäben 14 in
einer Reihe im gleichen Gehäuse 100 versehen
ist. Jeder Resonatorstab 14 hat eine Bimetallplatte 20,
und eine Abstimmanordnung 16 ist gegenüber dem jeweiligen Resonatorstab 14 in
der Deckenwand 130 angeordnet. Eingangs- und Ausgangsmittel 150, 151 sind
auch in 6 gezeigt.
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So
kann ein Filter aus einer Anzahl von Resonatorstäben in einem Gehäuse zusammengesetzt sein.
Die verschiedenen Stäbe
müssen
nicht längs einer
geraden Linie angeordnet sein, sondem können in irgendeiner gewünschten
Konfiguration zueinanderstehen. Auch die Konfiguration des Gehäuses, die
einen Hohlraum mit einem oder irgendeiner gewünschten Zahl von Resonatorstäben definiert,
kann nach Belieben gewählt
werden.
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Die
Bimetallplatte muß nicht
kreisförmig sein,
sondern kann quadratisch, polygonal oder von irgendeiner anderen
vorzugsweise symmetrischen Form bezüglich der Achse des Resonatorstabs
sein. Wie oben angegeben, kann der Mittelabschnitt der Bimetallplatte
massiv oder mit einem Mittelloch versehen sein. Auch muß die Bimetallplatte
in ihrer Ruhestellung nicht eben sein, sondern kann ganz oder teilweise
gebogen sein, z. B. als eine Schale.