DE807103C - Hohlraumresonator - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 25. JUNI 1951

p 26496 Villa/21 a* D

ist als Erfinder genannt worden

, Hohlraumresonator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlraum-■ resonator.

Bei der Verwendung von Hohlraumresonatoren ist oft eine hohe Kreisgüte zweckmäßig. Es ist bekannt, daß durch Vergrößerung der Ausmaße eine höhere Kreisgüte erzielt wird, da die Kreisgüte dem Quotienten aus Volumen und Oberflächen annähernd proportional ist. Bei der Vergrößerung wächst das Volumen in stärkerem Maße als die Oberfläche, so daß dabei die Kreisgüte zunimmt. Die Vergrößerung der Ausmaße bedingt jedoch ein Absinken der niedrigsten Eigenfrequenz oder Grundeigenfrequenz für eine jede der möglichen Schwingungsarten. Da oft die Frequenz, bei welcher der Resonator wirksam sein muß, und/oder die Schwingungsart nicht beliebig gewählt werden können, ist man infolgedessen gezwungen, den vergrößerten Hohlraumresonator bei einer höheren als der niedrigsten Eigenfrequenz bei einer bestimmten Schwingungsart zu verwenden. Dies ist bei vielen Schaltungen von Nachteil, da die vorhandenen, die verwendete Eigenfrequenz unterschreitenden Eigenfrequenzen störend wirken. Es kann z. B. bei Generatorschaltungen ein Selbstschwingen mit diesen niedrigeren unerwünschten Frequenzen im allgemeinen sogar leichter eintreten als mit den erwünschten höheren Frequenzen. Bei Schaltungen, bei denen Impulse verwendet werden, werden von den Impulsen die niedrigeren unerwünschten Frequenzen leicht angeregt werden.

Die Erfindung schafft Mittel, um diese Xachteile zu vermeiden oder doch zu vermindern.

Gemäß der Erfindung ist bei einem Hohlraumresonator, der aus einer wenigstens nahezu

geschlossenen leitenden Wand besteht, zur Beibehaltung der niedrigsten Eigenfrequenz eine Vergrößerung der Grundform, Würfel, Prisma o. dgl., derart gewählt, daß sie eine räumlich regelmäßig zusammengestellte Vielzahl der ursprünglichen Grundformen umschließt, mit der Maßgabe, daß zur Beseitigung der Regelmäßigkeit in der Endform eine oder einige Grundformen entfernt sind. Wie weiter unten näher erläutert, wird auf diese

ίο Weise das Auftreten einer oder mehrerer die erwünschte Frequenz unterschreitender Eigenfrequenzen unmöglich, oder es treten sogar überhaupt keine Eigenfrequenzen mehr auf, die niedriger als die erwünschte Frequenz sind.

Bei einem Hohlraumresonator, welcher eine prismatische Gestalt aufweist und derart erregt wird, daß die elektrischen Größen nicht von der Koordinate längs der Köhe des Prismas abhängig sind, ist vorzugsweise gemäß der Erfindung in wenigstens einer der zu den aufrechten Kanten des Prismas parallelen Knotenebenen ein dünner, gerader Leiter parallel zu den Kanten vorgesehen, der die untere und die obere Fläche leitend verbindet.
Soll ein Hohlraumresonator gemäß der Erfindung entworfen werden, so kann hierzu das nachfolgende Verfahren verwendet werden: Die gewünschte Frequenz und die gewünschte Schwingungsart werden festgelegt. Letzteres erfolgt durch eine Wahl aus den verschiedenen bestehenden Möglichkeiten, wie z. B. die Schwingungsart, bei der die elektrischen Größen von drei zueinander senkrecht gemessenen Koordinaten abhängig sind, eine Schwingungsart, bei der die elektrischen Größen nur von zwei zueinander senkrecht gemessenen Koordinaten abhängig sind. Darauf wird ein Hohlraumresonator einfacher, nachstehend als Ausgangsform bezeichneter Form entworfen mit solchen Abmessungen, daß seine niedrigste Eigenfrequenz für die betrachtete Schwingungsart gleich der gewünschten Frequenz ist. In einfache Form sind hier unter anderem einbegriffen Prismen, deren Grundfläche ein Dreieck oder ein Parallelogramm oder ein regelmäßiges Sechseck mit Winkeln von 120° ist, eine dreiseitige Pyramide und Parallelepipeda. Ein ernndungsgemäß ausgebildeter Hohlraumresonator mit höherer Kreisgüte bei gleicher Frequenz und Schwingungsart kann nun entworfen werden, indem hierbei die Ausgangsform als imaginärer Baustein verwendet wird. Ist auf diese weiter unten noch zu erläuternde Weise ein geeigneter Entwurf entstanden, so muß die leitende Wand des erwünschten Hohlraumresonators den von den Bausteinen gebildeten Körper wenigstens nahezu ganz umschließen und an dessen Außenflächen anliegen.

Beim Aufbau müssen jedoch nachfolgende Punkte berücksichtigt werden: Zwei benachbarte Bausteine müssen stets eine ganze Seitenwand gemeinsam haben. Die durch diese Kanten geführten Grenzflächen der Bausteine müssen paarweise in gleicher Flucht liegen. Schließlich muß die Stapelung der Bausteine derart durchgeführt werden, daß der gebildete Körper nicht durch Stapelung größerer, selbst aus dem gewählten Baustein zusammengebauter Bausteine hergestellt werden könnte. Diese Bedingung kann in einfacher Weise wie folgt erfüllt werden: Aus den Bausteinen wird ein weitestgehend regelmäßiger oder symmetrischer Körper hergestellt, und diese Regelmäßigkeit wird nun dadurch gestört, daß an einer oder mehreren Stellen ein Baustein oder mehrere solche entfernt oder zugesetzt werden.

Wird z. B. als Baustein eine Pyramide verwendet, deren Grundfläche ein gleichseitiges Dreieck ist und deren aufrechte Seitenflächen rechtwinklige, gleichschenklige Dreiecke sind, so kann aus ihnen z. B. eine regelmäßige Achtflache gebaut werden. Diese kann jedoch auch aus Bausteinen zusammengebaut werden, welche die doppelte Größe haben und aus je zwei der gewählten Bausteine bestehen, und auch aus Bausteinen, die das Vierfache des gewählten Bausteins sind. Die regelmäßige Achtflache ist daher im Gedankengang beim Entwurf eines erfindungsgemäß auszugestaltenden Resonators nicht verwendbar. Dagegen ist jedoch der Körper verwendbar, der aus der regelmäßigen Achtfläche gebildet wird, wenn ein Baustein entfernt oder zugesetzt wird, der in diesem Fall mit einem bereits vorhandenen die ganze Pyramidgrundfläche gemeinsam haben muß. Auch ist ein Körper verwendbar, der aus der regelmäßigen Achtfläche gebildet worden ist, in dem zwei Bausteine beseitigt werden, sofern diese zwei keine Seitenfläche gemeinsam haben, da in diesem Fall ein Körper entstehen würde, der auch aus einem Baustein doppelter Größe zusammengebaut werden könnte und somit bei diesem Entwurf nicht brauchbar ist.

Die gewünschte Frequenz ist nun eine Eigenfrequenz des so entworfenen Hohlraumresonators geworden, wobei trotz der Vergrößerung der Abmessungen nur eine'verhältnismäßig geringe Störung durch niedrige Eigenfrequenzen bei der gewünschten Schwingungsart und meistens auch bei anderen möglichen Schwingungsarten eintritt oder diese sogar ganz fehlen können.

Bei der gewünschten Frequenz und der gewünschten Schwingungsart bilden sich auch nun im Hohlraumresonator Knotenebenen an der Stelle der Grenzflächen der imaginären Bausteine. Die gewünschte Schwingungsart kann durch eine an no sich bekannte Wahl und Anordnung der Erregermittel erzeugt werden. Die Erhöhung der Kreisgüte gegenüber derjenigen der Ausgangsform, angenommen, daß das gleiche Wandmaterial verwendet wird, ist gleich der Zahl der verwendeten Bausteine multipliziert mit dem Quotienten aus der Wandoberfläche eines Bausteins und der Wandoberfläche des entworfenen Resonators. Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. ι a zeigt einen bekannten Hohlraumresonator, während die anderen Figuren Ausführungsformen des erfindungsgemäß ausgebildeten Hohlraumresonators darstellen. Fig. ia. zeigt einen Wellenleiter, der am rechten Ende von der Wand2 nahezu abgeschlossen ist. In diesem Wellenleiter bewegen sich elektrische Wellen mit verschiedenen

Frequenzen von links nach rechts. Der Wellenleiter ι ist durch die öffnung 3 in der Wand 2 mit dem Hohlraumresonator 4 gekoppelt, der eine prismatische Gestalt aufweist, deren senkrecht über die Erzeugenden geführter Querschnitt in Fig. 1 a dargestellt ist. Hierbei wird ausschließlich die Schwingungsart betrachtet, bei der die elektrischen Größen unabhängig von der Höhenkoordinate im Prisma sind.

Ist es erwünscht, die Kreisgüte dieses Hohlraumresonators zu erhöhen, so können zu diesem Zweck die Abmessungen vergrößert werden. Dabei sinkt jedoch die niedrigste Eigenfrequenz bei der betrachteten Schwingungsart herab. Wenn anstatt des Resonators 4 ein Hohlraumresonator verwendet wird, dessen Querschnitt mit 5 bezeichnet ist und * das Vierfache desjenigen des Resonators 4 beträgt, mit dem er gleichförmig ist, so wird diese niedrigste Eigenfrequenz um einen Faktor 2 sinken. Die niedrigste Eigenfrequenz des Resonators 4 ist jedoch noch eine Eigenfrequenz von 5, so daß 5 auch für die gleiche Frequenz wie 4 verwendbar ist. Diese ist jedoch nicht die niedrigste Eigenfrequenz des Resonators 5; wie vorstehend angegeben, bereitet das Vorhandensein die gewünschte Frequenz unterschreitender Eigenfrequenzen Schwierigkeiten. In Fig. ι b, in der die den Teilen der Fig. ia entsprechenden Teile mit gleichen Ziffern bezeichnet sind, bezeichnet 6 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Hohlraumresonator. Der von der Wand des Hohlraumresonators 6 umschlossene Raum kann als aus Prismen zusammengebaut angenommen werden, deren Grundfläche ein Quadrat ist, wie dies in der Figur durch gestrichelte Linien angegeben ist. Infolge des Vorhandenseins der Seitenkammer 7, deren Querschnitt gleichfalls ein solches Quadrat ist, wird hier erreicht, daß einige der Eigenfrequenzen, die im Hohlraumresonator entsprechender Form, jedoch ohne Seitenkammer, auftreten und die niedrigste Eigenfrequenz unterschreiten, bei der betrachteten Schwingungsart eines Hohlraumresonators prismatischer Form mit einem Querschnitt gleich einem der kleinen in Fig. 1 b gestrichelt angegebenen Quadrate nicht mehr als Eigenfr;equenzen auftreten. So z. B. die Eigenfrequenz, bei der die in Fig. 1 b angegebenen senkrechten Linien Knotenlinien sind. Die Seitenkammer führt hier eine Vergrößerung der Abmessungen des Hohlraumresonators herbei, und die niedrigeren Eigenfrequenzen sind verhältnismäßig wenig hinderlich gegenüber dem Fall, bei dem anstatt des Hohlraumresonators 4 ein Hohlraumresonator prismatischer Form verwendet wird. dessen Grundfläche gleich einem der in der Figur dargestellten Quadrate ist und sowohl eine Ver; größerung des Volumens als auch eine Vergrößerung der Oberfläche bewerkstelligt. Das Volumen ist das Elffache geworden, die Wandoberfläche jedoch weniger als das Elffache, da diese aus zwei Teilen, und zwar Grund- und obere Fläche, die das Elffache, und die Seitenwände, die das Fünffache geworden sind, besteht. Auf diese Weise ergibt sich eine Erhöhung der Kreisgüte um einen Faktor 11:5 = 2,2, wenn die Höhe gegenüber den anderen Abmessungen bei gleichbleibender Eigengrundfrequenz groß ist.

Fig. 2 stellt einen anderen Hohlraumresonator gemäß der Erfindung dar, der z. B. anstatt des Hohlraumresonators 4 bei der Schaltung nach Fig. 1 verwendbar ist. Der von den Wänden dieses Hohlraumresonators umschlossene ,Raum kann als aus 65 kongruenten Kuben zusammengebaut angenommen werden, 64 derselben bilden gemeinsam einen Kubus mit einer Kante, die das Vierfache derjenigen des kleinen Kubus ist; der 6sste bildet wieder eine Seitenkammer 10 mit Seitenfläche in der Verlängerung der anderen Kubusflächen. Die Kammer 10 ist an der Seite 11 offen und kann somit z. B. mit einem Wellenleiter wie in Fig. 1 gekoppelt werden. Wird nun die Schwingungsart eines Kubus betrachtet, bei der die Schwingung symmetrisch gegenüber den drei Achsen des Kubus ist, so ist es möglich, daß die der niedrigsten Eigenfrequenz des kleinen Kubus gleiche Frequenz bei der vorausgesetzten Schwingungsart gleichfalls eine Eigenfrequenz des in Fig. 2 dargestellten Hohlraumresonators ist. Dabei bilden sich im großen Kubus Knotenebenen in der dargestellten Art. Es ist ersichtlich, daß infolge des Vorhandenseins der Seitenkammer diejenige Eigenfrequenz des großen Kubus, bei der ausschließlich Knotenebenen gemäß den in der Figur angegebenen Strichpunktlinien auftreten, keine Eigenfrequenz des durch die Vereinigung des großen Kubus mit der Seitenkammer gebildeten Hohlraumresonators als Ganzes mehr ist. Auch hier erfolgt eine Erhöhung der Kreisgüte gegenüber dem von dem kleinen Kubus gebildeten Hohlraumresonator, und zwar um einen Faktor 4,25.

Fig. 3 ist ein senkrechter Schnitt durch einen prismatischen Hohlraumresonator, dessen von den Wänden umschlossener Raum als aus fünf Prismen mit übereinstimmendem Querschnitt in Form eines Quadrats zusammengebaut gedacht werden kann, die gemeinsam das große Quadrat 20 und die Seitenkammer 21 bilden. Dabei soll die Schwingungsart verwendet werden, bei der die elektrischen Größen von der Höhenkoordinate im Prisma unabhängig sind. Wird ein Hohlraumresonator der dargestellten Form jedoch ohne Seitenkammer für diejenige Frequenz benutzt, die auch die niedrigste Eigenfrequenz eines Hohlraumresonators ist, dessen Querschnitt einem der kleinen Quadrate gleich ist, alles bei der betrachteten Schwingungsart, so ist ersichtlich, daß in der Arbeitsfrequenz noch niedrigere Eigenfrequenzen des Hohlraumresonators enthalten sind, die störend wirken können. Sie sind zunächst die niedrigste Eigenfrequenz bei der betrachteten Schwingungsart, bei der gar keine Knotenlinien im großen Quadrat auftreten, und dann die Schwingungsart mit einer einzigen Knotenlinie. Letztere kann sich auf zweierlei Weise vollziehen, und zwar mit in der Figur waagerechter oder senkrechter Knotenlinie. Infolge des Vorhandenseins der Seitenkammer 21 wird die Größe der zuerst genannten Eigenfrequenz etwas ver-

schoben werden. Diese Schwingung wird jedoch infolge des Vorhandenseins der Seitenkammer 21 nicht unterdrückt werden. Zu diesem Zweck ist ein Leiter 22 vorgesehen, der die Mitte der unteren Fläche und die Mitte der oberen Fläche des llolilraumresonators miteinander verbindet. Dieser Leiter verhindert das Auftreten der zuerst genannten verschobenen Eigenfrequenz bei der betrachteten Schwingungsart 'im dargestellten Hohlraumresonator. Es ergibt sich jedoch, daß infolge der Wirkung der Scitenkammer auch die an zweiter Stelle erwähnten Eigenfrequenzen nicht mehr auftreten. Auf diese Weise ist bei diesem Hohlraumresonator die niedrigste Eigenfrequenz der betrach- teten Schwingungsart gleich der niedrigsten Eigenfrequenz bei der betrachteten Schwingungsart bei einem Hohlraumresonator, bei dem die Grundfläche der kleinen Quadrate der Querschnitt ist. Gegenüber diesem letzteren Hohlraumresonator beträgt bei demjenigen nach Fig. 3, wenn die Höhe gegenüber den anderen Abmessungen groß ist, die Wandoberfläche das 2 '/»fache, der Inhalt jedoch das Fünffache, so daß die Kreisgüte die doppelte Größe hat.

Die Fig. 4 und 5 stellen Weiterbildungen des Querschnitts des in Fig. 3 dargestellten prismatischen Hohlraumresonators dar, die der gleichen Schwingungsart dienen sollen. Die niedrigste Eigenfrequenz des Hohlraumresonators nach Fig. 4

3u ist gleich derjenigen eines Hohlraumresonators, bei dem eines der kleinen Quadrate der Querschnitt ist, alles bei der betrachteten Schwingungsart. Dies ist durch die dargestellte Form und durch Anordnung des Leiters 30 erreicht. Die niedrigste Eigenfrequenz des in Fig. 5 dargestellten Hohlraumresonators ist gleich derjenigen des Hohlraumresonators, dessen Querschnitt gleich einem der kleinen Dreiecke ist. Dies ist hier gleichfalls durch die Form und die Anordnung des Leiters 40 erreicht. Ist die Höhe groß gegenüber den Querabmessuugen, so ergibt sich beim Hohlraumresonator nach Fig. 4 c'ne Vergrößerung der Kreisgüte um einen Faktor 4,2 und bei Fig. 5 um einen Faktor 3,8.

Andere Weiterbildungen der Querschnitte der prismatischen Hohlraumresonatoren, die sich als günstig erwiesen haben, sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Dabei ist der Baustein nach Fig. 4 bzw. 5 verwendet, also Prismen mit quadratischer bzw. dreieckiger Grundfläche. Der die untere und obere Fläche verbindende Leiter ist an der Stelle 50 bzw. 60 angeordnet. Der Gewinn an Kreisgüte beträgt für den Hohlraumresonator nach Fig. 6 einen Faktor 3,4 und für den nach Fig. 7 einen Faktor 3, wenn die Höhe gegenüber den Querabmessungen groß ist.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Hohlraumresonator großer Schwingkreisgüte, aus einer wenigstens nahezu geschlossenen leitenden Wand bestehend, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beibehaltung der niedrigsten Eigenfrequenz eine Vergrößerung der Grundform, Würfel, Prismen o. dgl., derart gewählt ist, daß sie eine räumlich regelmäßig zusammengestellte \'ielzahl der ursprünglichen Grundformen umschließt, mit der Maßgabe, daß zur Beseitigung der Regelmäßigkeit in der Endform eine oder einige Grundformen entfernt sind.

2. Hohlraumresonator nach Anspruch 1 von prismatischer Form und solcher Erregung, daß die elektrischen Größen von der Höhenkoordinate des Prismas unabhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer der Knotenebenen parallel zu den aufrechten Kanten des Prismas ein dünner, gerader Leiter parallel zu diesen Kanten vorgesehen ist. der die untere Fläche und die obere Fläche leitend verbindet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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