-
Die Erfindung betrifft einen Oszillator und
insbesondere die Konstruktion eines Abschirmgehäuses für einen
Oszillator, welche die auf Änderungen der Umgebungsbedingungen
zurückzuführende Änderung der Schwingungseigenschaften des
Oszillators vermindert.
-
Bei einem Oszillator ist es allgemein üblich, einen
Körper des Oszillators mit einem Abschirmgehäuse aus Messing,
Phosphorbronze oder einem ähnlichen Metall zu ummanteln, so
daß der Körper gegen äußere elektromagnetische Felder
geschützt werden kann. Daher ist zwischen dem Abschirmgehäuse
und verschiedenen Teilen, welche die Schaltung des Oszillators
bilden, unvermeidlich eine Streukapazität vorhanden. Wenn von
außen eine Vibration auf den Oszillator einwirkt, bringt sie
das Abschirmgehäuse zum Vibrieren, da letzteres nicht mit
einem vibrationsdämpfenden Material ausgeführt ist. Die
Vibration des Abschirmgehäuses verändert den körperlichen Abstand
zwischen seinem inneren Umfang und den Schaltungsbauteilen und
daher die Streukapazität. Im Ergebnis beeinträchtigt die von
außen herrührende Vibration die Schwingungseigenschaften des
Oszillators, wie z. B. die Oszillations- bzw.
Schwingungsfrequenz, und verhindert eine stabile Schwingung des Oszillators.
-
In einer Beschreibung der GB-A-8 628 993,
veröffentlicht unter der Nr. 2 198 591 am 15. Juni 1988, wurde ein
mikrofoniefreier spannungsgesteuerter oszillator vorgeschlagen,
in dem Bauelemente an Leiterbahnen angelötet wurden, die
direkt auf einen keramischen Resonator aufgedruckt waren.
-
Eine Trogbaugruppe für eine Richtfunkanlage, die in der
Beschreibung der DE-A-36 29 142.0, veröffentlicht am 10. März
1988, vorgeschlagen wurde, wies tonnenförmige
Dämpfungsvorrichtungen auf, an denen eine oszillatoreinheit frei
aufgehängt war, um die Wirkung von Vibrationen zu verringern.
-
Ein Vibrationsrauschfiltersystem für den Einsatz in
Flugzeugradar-Steueroszillatorsystemen wurde in der
Beschreibung
der US-A-4 096 445, veröffentlicht am 20. Juni 1978,
vorgeschlagen. In diesem System war ein Steueroszillator direkt
konstruktiv mit einer Flugzeugvibrationsquelle gekoppelt,
während ein mit dem Steueroszillator phasenverriegelter
Nebenoszillator durch einen passiven mechanischen Isolator von der
Vibrationsquelle isoliert war.
-
Ein Merkmal einer nachstehend zu beschreibenden
Abschirmgehäusekonstruktion ist, daß sie ermöglicht, daß ein
damit verbundener Oszillator im Hinblick auf äußere Vibrationen
eine minimale Änderung seines Schwingungszustandes erfährt und
daher jederzeit stabil oszilliert.
-
Das zu beschreibende Abschirmgehäuse ummantelt die
Schaltung eines Oszillators und weist ein leitfähiges Element
auf, das Vibrationen absorbiert, die möglicherweise von außen
auf das Abschirmgehäuse einwirken.
-
Die nachstehende Beschreibung und die Zeichnungen
offenbaren anhand von Beispielen die Erfindung, die durch die
beigefügten Ansprüche charakterisiert ist, in denen der
Schutzumfang der Erfindung definiert wird.
-
In den Zeichnungen zeigen:
-
Fig. 1 einen Schnitt, der eine speziellen Aufbau eines
Oszillators darstellt, auf den die Erfindung anwendbar ist;
-
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines
Abschirmgehäuses, das die vorliegende Erfindung verkörpert;
-
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer modifizierten
Form des in Fig. 2 gezeigten Abschirmgehäuses;
-
Fig. 4 einen Schaltplan, der einen Oszillator
darstellt, auf den eines der in Fig. 2 und 3 gezeigten
Abschirmgehäuse anwendbar ist;
-
Fig. 5 ein Blockschaltbild, das schematisch eine
Anordnung darstellt, die zur Messung der S/N-Verhältnisse (Signal-
Rausch-Verhältnisse) benutzt werden kann, die mit einem
herkömmlichen Abschirmgehäuse und mit einem erfindungsgemäßen
Abschirmgehäuse gegen äußere Vibrationen erreichbar sind;
-
Fig. 6 und 7 zeigen Diagramme von S/N-Verhältnissen,
die zu herkömmlichen Abschirmgehäusen gehören, die jeweils
eine bestimmte Dicke aufweisen; und
-
Fig. 8 zeigt ein Diagramm von S/N-Verhältnissen, die
man mit einem Oszillator erhält, der ein erfindungsgemäßes
Abschirmgehäuse aufweist.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
-
Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Abschirmgehäusekonstruktion anhand der
beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
-
Fig. 1 zeigt eine spezielle Schaltung 12, die
beispielsweise auf dem Körper eines spannungsgesteuerten
Oszillators (VCO) untergebracht ist und auf die das erläuternde
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Genauer gesagt, die auf einem Hybridsubstrat 14 ausgebildete
Schaltung 12 weist einen Streifenleiter 16, verschiedene
aktive Elemente 18, verschiedene passive Elemente 20 usw. auf.
Die (nicht sichtbare) Rückseite des Hybridsubstrats 14 ist
geerdet. Fig. 2 zeigt ein Abschirmgehäuse 22 als
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Abschirmgehäuse 22 ummantelt die
Schaltung 12 auf dem Substrat 14, um sie nach außen zu
isolieren, wie in Fig. 1 gezeigt. Wie aus Fig. 2 erkennbar, weist
das Abschirmgehäuse 22 eine kastenähnliche Gestalt mit einer
Öffnung 24 am Boden auf. Ein Teil 26 der Ränder des
Abschirmgehäuses 22, welche die Öffnung 24 begrenzen, ist an die
Rückseite oder Erdungsfläche des Substrats 14 angelötet oder auf
andere Weise mit dieser verbunden. Angenommen, die Vorderseite
des Substrats 14 ist statt der Rückseite als Erdungsfläche
gestaltet. Dann kann ein in Fig. 3 dargestelltes modifiziertes
Abschirmgehäuse 22A verwendet werden. Im einzelnen weist das
modifizierte Abschirmgehäuse 22A Zungen 26a auf, die durch
Umbiegen eines Teiles der Ränder der Öffnung 24 im rechten
Winkel und Verlöten oder eine andere Verbindung mit den
Randteilen der Vorderseite oder Erdungsfläche des Substrats 14
gebildet werden.
-
Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Abschirmgehäuse 22
und 22A sind jeweils in leitfähigem Material ausgeführt,
insbesondere mit einem Blech aus einer vibrationsdämpfenden
Legierung. Typisch für Bleche aus vibrationsdämpfender Legierung
ist die Gentalloy F-Serie, beziehbar von der Toyo Aluminium
(Japan). Die Abschirmgehäuse 22 und 22A, die, wie oben
erwähnt, vibrationsdämpfend sind, absorbieren Vibrationen, die
unter Umständen von außen auf den spannungsgesteuerten
Oszillator (VCO) 10 einwirken, d. h. sie vibrieren nicht. Dadurch
wird trotz der Vibrationen verhindert, daß sich der
körperliche Abstand zwischen dem Abschirmgehäuse 22 oder 22A und den
verschiedenen Elementen oder Teilen der Schaltung 12 und damit
die zwischen ihnen vorhandene Streukapazität ändert. Im
Ergebnis verändern sich die Schwingungseigenschaften des VCO 10,
wie z. B. die Schwingungsfrequenz, nur geringfügig.
-
Fig. 4 zeigt einen speziellen Aufbau der Schaltung 12,
die auf dem Körper des VCO 10 ausgebildet und beispielsweise
als Colpitts-Oszillator ausgeführt ist. Die
Schwingungsfrequenz des in Fig. 4 dargestellten VCO 10 ist durch die
Kapazitäten der Kondensatoren C5 und C6 und die zusammengesetzte
Induktivität verschiedener Elemente festgelegt, die näher am
Eingangsanschluß liegen als ein Kondensator C3. Eine
Varaktordiode XI ändert ihre Kapazität als Reaktion auf eine
Eingangsgleichspannung, während ein Kondensator C1
Gleichstromkomponenten sperrt. Eine Induktionsspule L1 ist als Schwingspule
ausgeführt und reguliert die Schwingungsfrequenz. Der
Kondensator C3 sperrt Gleichstromkomponenten, die am Kollektor eines
Transistors Tr anliegen. Angenommen, der Eingang sei offen und
die Impedanz der Elemente, die vor dem Kondensator C3 liegen,
sei Z, dann läßt sich die Impedanz Z wie folgt ausdrücken:
-
wobei s der Laplace-Operator ist.
-
Ferner kann die Impedanz Z durch
-
Z = jw (w)
-
erzeugt werden, wobei (w) eine reelle Funktion darstellt.
-
Man kann daher annehmen, daß eine Spule mit einer
Induktivität (w) zwischen dem Eingangsanschluß und dem
Kondensator
C3 liegt. Die Widerstände R1 und R2 befreien den
Transistor Tr von ungewöhnlichen Schwingungen, während eine
Induktionsspule L2 als Drosselspule das Eindringen von Hochfrequenz
in die Stromquelle verhindert. Die Kondensatoren C4 und C7
leiten von der Stromquelle herrührendes Rauschen zur Masse ab.
Ein Kondensator C8 sperrt Gleichstromanteile. Ferner arbeiten
die Widerstände R3 und R4 als Ableitwiderstände zum Festlegen
des Arbeitspunkts des Transistors Tr, während ein Widerstand
R5 als Emitterwiderstand zum Festlegen des Arbeitspunkts
dient.
-
Angenommen, die Schwingungsfrequenz des VCO 10, die von
den Kondensatoren C5 und C6 und der Induktivität (w) abhängig
ist, sei f&sub0;, dann läßt sie sich wie folgt ausdrücken:
-
Da jedoch die Schaltung 12 des VCO 10, die gemäß der
Darstellung in Fig. 4 angeordnet ist, mit dem Abschirmgehäuse
22 (Fig. 2) oder 22A (Fig. 3) ummantelt wird, entsteht
zwischen dem Abschirmgehäuse 22 bzw. 22A und den Schaltungsteilen
und -elementen eine Streukapazität. Genauer gesagt, die
Schwingungsfrequenz f&sub0; wird durch die Streukapazität
beeinflußt, die vom Kollektor des Transistors Tr gegen Masse
parallel zu den Kondensatoren C2 und C3 und der Varaktordiode X1
entwickelt wird. Wenn die früher erwähnten Konstanten C2, X1,
C6 und (w&sub0;) als Variable angesehen werden, dann laßt sich der
Einflußgrad der Streukapazität auf die Schwingungsfrequenz f&sub0;
durch eine partielle Differentiation ausdrücken. Welche dieser
Konstanten jedoch den größten Einfluß hat, ist schwer
festzustellen. Auf jeden Fall ist offensichtlich, daß das
Abschirmgehäuse, das durch die von außen herrührende Vibration in
Schwingung versetzt wird, die Streukapazität verändert, und
daß infolgedessen die Oszillationsfrequenz so verändert wird,
als ob sie mit den Vibrationen frequenzmoduliert würde. Das
erfindungsgemäße Abschirmgehäuse 22 oder 22A absorbiert äußere
Vibrationen und vibriert daher nicht, da es aus einem
leitfähigen, vibrationsdämpfenden Material besteht. Dadurch
wird eine Änderung der Schwingungsfrequenz durch die Änderung
der Streukapazität mit Erfolg verhindert.
-
Ein Oszillator mit einem herkömmlichen Abschirmgehäuse,
das aus Phosphorbronze oder einem ähnlichen Metall besteht,
und ein Oszillator mit einem erfindungsgemäßen
Abschirmgehäuse, das mit einem leitfähigen vibrationsdämpfenden Material
ausgeführt ist, wurden auf die folgende Weise bezüglich des
S/N-Verhältnisses bzw. Signal-Rausch-Verhältnisses miteinander
verglichen.
-
Wie in Fig. 5 dargestellt, weist eine Meßanordnung,
allgemein mit 30 bezeichnet, eine Vibrationseinheit 32 auf,
auf die zunächst eine 30 mm dicke gehärtete Platte 36 und
darauf ein Objekt 34 gelegt wird. Die Vibrationseinheit 32
bringt über die gehärtete Platte 36 das Objekt 34, d. h. den
herkömmlichen Oszillator oder den nach der vorliegenden
Erfindung ausgeführten Oszillator, zur Vibration. Das Objekt
34 ist an drei Punkten auf der gehärteten Platte 36 befestigt,
während die gehärtete Platte 36 an sechs Punkten auf der
Vibrationseinheit 32 befestigt ist. Zur Messung versetzte die
Vibrationseinheit 32 das Objekt 34 in Schwingungen mit einer
Doppelamplitude von 0,24 mm bei 10 bis 50 Hz und mit einer
Gravitationsbeschleunigung von 1,53 oberhalb 50 Hz. Die
Anordnung 50 weist ferner einen Lineardetektor 38, an den die
Ausgangssignale des Objekts 34 und eines Bezugssignalgenerators
40 angelegt werden, sowie einen Tonfrequenzpegelmesser 42 auf,
an den das Ausgangssignal des Lineardetektors 38 angelegt
wird. Der Bezugssignaldetektor 40 erzeugt ein FM-Signal von 3
kHz mit einem Frequenzhub von 1 kHz. Der Lineardetektor 38
weist keine Frequenzbandbeschränkung auf, und der
Tonfrequenzpegelmesser 42 enthält ein psophometrisches Filter.
-
Angenommen, der Hochfrequenzpegel, der vom
Lineardetektor 38 durch Demodulieren des Ausgangssignals des vibrierenden
Objekts 34 bestimmt wird, sei gleich N, und der
Tonfrequenzpegel, der vom Detektor 38 durch Demodulieren des
Ausgangssignals
des Bezugssignalgenerators 40 bestimmt wird, sei gleich
S. Zunächst wurde das S/N-Verhältnis mit dem herkömmlichen
Abschirmgehäuse durch die Anordnung 30 bestimmt. Genauer gesagt,
es wurden ein 0,3 mm dickes und ein 1,0 mm dickes
herkömmliches Abschirmgehäuse verwendet, die beide aus Phosphorbronze
bestanden. Die durch die Messung bestimmten Charakteristiken
des S/N-Verhältnisses (dB) in Abhängigkeit von der
Vibrationsfrequenz (Hz) für den Oszillator mit dem 0,3 mm dicken
Abschirmgehäuse bzw. dem 1,0 mm dicken Abschirmgehäuse sind in
Fig. 6 bzw. 7 dargestellt. Dagegen zeigt Fig. 8 eine
Charakteristik des S/N-Verhältnisses (dB) in Abhängigkeit von der
Vibrationsfrequenz (Hz), die für den Oszillator mit dem
erfindungsgemäßen Abschirmgehäuse erzielt wurde. Das
erfindungsgemäße Abschirmgehäuse wurde mit einer 0,3 mm dicken
vibrationsdämpfenden Legierung (Gentalloy F-Serie, beziehbar von der
Toyo Aluminium) ausgeführt.
-
Das minimale S/N-Verhältnis des in Fig. 6 dargestellten
herkömmlichen Abschirmgehäuses ist kleiner als null Dezibel,
und das des in Fig. 7 dargestellten herkömmlichen
Abschirmgehäuses beträgt etwa 21 dB. Andererseits ist das minimale S/N-
Verhältnis nach der vorliegenden Erfindung gleich 38 dB, wie
in Fig. 8 dargestellt, was gegenüber dem Stand der Technik
eine bemerkenswerte Verbesserung dargestellt.
-
Zusammenfassend ist erkennbar, daß die vorliegende
Erfindung eine Abschirmgehäusekonstruktion schafft, die aus
einem leitfähigen, vibrationsdämpfenden Material besteht und
daher gegen äußere Vibrationen nicht anfällig ist. Dadurch
wird verhindert, daß sich der körperliche Abstand zwischen dem
Abschirmgehäuse und der auf dem Körper eines Oszillators
ausgebildeten Schaltung ändert. Im Ergebnis kann der Oszillator
mit einem solchen Abschirmgehäuse trotz möglicherweise von
außen einwirkender Vibrationen stabil oszillieren.
-
Dem Fachmann ermöglichen die Lehren der vorliegenden
Offenbarung verschiedene Modifikationen, ohne von dem in den
beigefügten Ansprüchen definierten Schutzumfang abzuweichen.