FI75450C - Resonator. - Google Patents

Description

1 75450

Resonaattori

Keksinnön kohteena on liuskajohtoresonaattori, erityisesti VHF-alueelle (100 - 1000 MHz) tarkoitettu reso-5 naattori, joka käsittää eristeaineesta valmistetun levyn pinnalle sähköä hyvin johtavasta materiaalista valmistetun, oleellisesti tasomaisen ja ympyrä- tai monikulmiospi-raalin muotoa muistuttavan liuskajohdinrakenteen.

Sähköteknisten suodattimien perusrakenneosina ovat 10 erilaiset kelat ja kondensaattorit laajasti käytettyjä. Taajuuden kasvaessa satojen megahertsien suuruusluokkaan häviöt alkavat kasvaa, samoin erityisesti kondensaattorien rakenteesta johtuvat sivuilmiöt. Kondensaattorin sarjain-duktanssi ei enää ole merkityksetön tekijä eikä myöskään 15 kelan kierrosten välinen hajakapasitanssi ympäristöön nähden. Kondensaattorien ja kelojen rakenteilla voidaan ongelmia tiettyyn rajaan asti vähentää, mutta taajuuden kasvaessa sekä kelojen että kondensaattorien häviöt kasvavat lopulta niin suuriksi, että erilaiset siirtojohto-20 ja onteloresonaattorit ovat häviöltään ainoa vaihtoehto.

Koaksiaaliresonaattorit ovat pienihäviöisinä eniten käytettyjä varsinkin suurilla tehoilla. Häviöt pienenevät resonaattorin koon kasvaessa ja samalla tehonkesto paranee. Korkeammilla taajuuksilla aina n. 10-15 GHz asti käy-25 tetään yleisesti liuska- ja mikroliuskatekniikkaa.

Taajuusalueelle 100 - 1000 MHz tulevat sekä koak-siaali- että liuskajohtoresonaattorit monissa tapauksissa suurikokoisiksi ja kalliiksi. Tällä taajuusalueella käytetäänkin yleisesti ns. helix-resonaattoreita, jotka poik-30 keavat koaksiaaliresonaattoreista rakenteeltaan siten, että keskijohdin on kierretty kelaksi. Kelan halkaisijan suhde ulkovaipan sisämittaan ja kelan nousu määräävät pääasiassa helix-resonaattorin ominaisimpedanssin. Taajuusalueella 100-1000 MHz ja Q-arvoalueella 500 - 100 helix-35 resonaattori on kooltaan n. 1/3 ominaisuuksiltaan saman- 2 75450 laiseen koaksiaaliresonaattoriin verrattuna. Helix-reso-naattori tehdään tavallisesti lieriökelan muotoon ja tuetaan kelan sisään asetetulla keraamisella tai muovista eri tavoin valmistetulla rungolla. Tämä on välttämätöntä 5 riittävän mekaanisen tukevuuden saavuttamiseksi.

Helix-resonaattorilla toteutetusta piirirakenteesta, kuten esim. suodattimesta, tulee kuitenkin vaikea ja kallis valmistaa sarjatuotannossa, erityisesti resonaattorin koon pienentyessä taajuuden kasvaessa. Piirissä, jo-10 hon helix-resonaattori kuuluu, on kytkentä resonaattoriin erittäin kriittinen piirin tarkan toiminnan kannalta. Juuri tämä helix-resonaattorin kriittisyys aiheuttaa ongelmia sarjatuotannossa; rakennetta ei pystytä valmistamaan toistuvasti riittävän tarkasti, vaan valmiiden tuotteiden huk-15 kaprosentti on melko suuri.

Resonaattorin resonanssitaajuuden lämpötilastabii-lisuus on myöskin oleellinen tekijä arvosteltaessa resonaattorin käyttökelpoisuutta. Resonaattorin raaka-aineella, joka on tavallisimmin kuparia, on oma lämpötilakertoi-20 mensa, samoin vaipan raaka-aineella. Lämpötilan kasvaessa lämpölaajeneminen pidentää resonaattoria ja muuttaa reso-nanssitaajuutta. Kaikkien toisesta päästään avoimien siirto johtoresonaattorien resonanssitaajuus saadaan lausekkeesta: 25 fQ = 300/ (4 lfip ) (1) " jossa f on resonanssitaajuus megahertseissä, 1 on resonaattorin pituus metreinä, ja £. on väliaineen suhteellinen eristevakio · r 30 Tässä ei kuitenkaan ole otettu huomioon avoimen pään kapasitanssin vaikutusta. Suojavaippa tehdään tilan säästämiseksi mahdollisimman lyhyeksi, jolloin keskijohtimen kapasitanssi vaipan päätyä vastaan saattaa olla huomattava. Kapasitanssi lyhentää resonaattoria. Näin 35 lyhennetyn resonaattorin pituus saadaan lausekkeesta:

II

3 75450 1 = 300/(4 f JF? ) * 2/ir * arctan (Z^/2jTf C ), (2) O i o o o jossa

Zq on resonaattorin ominaisimpedanssi, ja CQ on resonaattorin avoimen pään kapasitanssi.

5 Käytännössä lämpölaajenemisen aiheuttama resonaat torin piteneminen ja siitä seuraava resonanssitaajuuden yhtälöjen (1) ja (2) mukainen aleneminen kompensoidaan joko estämällä keskijohtimen piteneminen sen sopivalla materiaalivalinnalla ja rakenteella tai muuttamalla resonaat-10 torin avoimen pään kapasitanssia CQ niin, että resonanssi-taajuus f pysyy muuttumattomana. Helix-resonaattorin tapauksessa on päästy lämpötilakertoimen arvoon nolla, mutta käytännön toteutus on erittäin hankala.

Helix-resonaattorin lähes kuutiomainen muoto ei 15 myöskään ole paras mahdollinen.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena onkin päästä eroon edellä kuvatuista helix-resonaattoriin liittyvistä ongelmista ja saada aikaan resonaattorirakenne, joka soveltuu aikaisempaa paremmin sarjatuotantoon ja jossa läm-20 pötilakerroin voidaan helposti valita. Tämä saavutetaan alussa kuvatun kaltaisella resonaattorilla siten, että se käsittää ainakin kaksi oleellisesti tasomaista ja ympyrä-tai monikulmiospiraalin muotoa muistuttavaa liuskajohto-rakennetta, jotka on sovitettu kerroksittain ja kytketty 25 sarjaan siten, että johtimissa kulkevien sähkövirtojen magneettikentät ovat samansuuntaiset.

Keksinnön mukaisena perusajatuksena on siten valmistaa helix-resonaattori pienihäviöiselle eristelevylle kaksi- tai useampikerroksisena liuskajohtorakenteena si-30 ten, että eri kerroksissa olevat ympyränkaarien tai monikulmioiden muotoiset luiskajohtimet muodostavat yhtenäisen ketjun, jossa lähekkäin olevissa liuskoissa kulkevien sähkövirtojen magneettikentät vahvistavat toisiaan.

Keksinnön mukainen resonaattorirakenne pystytään 35 toistuvasti tekemään nopeasti, halvalla ja ennen kaikkea tarkasti, jolloin se sopii erityisen hyvin sarjatuotantoon.

4 75450

Mitoittamalla rakenne käytetyn levyraaka-aineen mukaan oikein voidaan resonaattorin lämpötilakerroin valita helposti.

Eräässä erityisen edullisessa suoritusmuodossa on 5 resonaattori sijoitettu metalliseen tai sähköä johtavas-ti pinnoitettuun koteloon. Tällä järjestelyllä saadaan ominaisimpedanssi sellaiseksi, että resonaattorin koko-naishäviöt minimoituvat.

Seuraavassa keksintöä selitetään tarkemmin viita-10 ten oheisen piirustuksen mukaisiin esimerkkeihin, joissa kuvio 1a esittää keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon mukaista rakennetta ylhäältäpäin nähtynä, kuvio 1b esittää keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon mukaista rakennetta alhaaltapäin nähtynä, 15 kuvio 2a esittää keksinnön toisen suoritusmuodon mukaista rakennetta ylhäältäpäin nähtynä, ja kuvio 2b esittää keksinnön toisen suoritusmuodon mukaista rakennetta alhaaltapäin nähtynä.

Kuvioissa 1a ja 1b on esitetty keksinnön ensimmäi-20 sen suoritusmuodon mukainen resonaattorirakenne, jossa eristelevyn 1 vastakkaisilla pinnoilla on oma liuskajoh-torakenteensa. Eristelevy voi olla esimerkiksi tefloneris-teistä lasikuitulaminaattia, materiaalilla ei kuitenkaan ole oleellista merkitystä varsinaisen keksinnöllisen aja-25 tuksen kannalta. Kuviossa 1a on esitetty eristelevyn 1 toiselle pinnalle sovitettu liuskajohtorakenne 2, joka muodostuu monikulmion muotoisesti lähes täyden kierroksen kiertävästä liuskajohtimesta 3. Johdinrakenteen alkupäässä on levennys 4, joka on kytketty maahan, ja sen alku-30 osaan liittyy resonaattorin sisäänmenona toimiva kytken- täjohdin 5, jonka vapaassa päässä on kytkentäpiste 6. Johdinrakenteen 2 loppupäässä on läpimenopiste 7, josta joh-dinrakenne 2 on kytketty levyn 1 vastakkaisella puolella oleellisesti samankeskeisesti sijaitsevaan toiseen taso-35 maiseen liuskajohtorakenteeseen 8, joka on esitetty kuli 5 75450 viossa 1b. Liuskajohtorakenne 8 muodostuu samanlaisesta monikulmion muotoisesta rakenteesta kuin liuskajohtora-kenne 2, mutta se kiertää spiraalin muotoisesti useamman kierroksen päätyen keskellä olevaan avoimeen pisteeseen 9.

5 Kuten kuviosta 1b voidaan havaita, jatkuu liuskajohtorakenne 8 läpimenopisteensä 10 jälkeen levyn 1 vastakkaisella puolella olevan johdinrakenteen 2 aloittamaan kiertosuuntaan, jolloin johtimissa kulkevien sähkövirtojen magneettikentät ovat samansuuntaiset ja vahvistavat toisiaan. 10 Rakenteen havainnollistamiseksi on levyn vastakkaisella puolella oleva kytkentäjohdin 5 ja maadoituslevennys 4 esitetty kuviossa 1b katkoviivoilla.

Kuviossa 2a ja 2b on esitetty keksinnön mukaisen resonaattorin vaihtoehtoinen suoritusmuoto. Kuvio 2a esit-15 tää jälleen levyn 1 toisella puolella olevaa liuskajohto-rakennetta, ja kuvio 2b sen kanssa sarjaan kytkettyä, levyn vastakkaisella puolella olevaa liuskajohtorakennetta. Kuvion 2a liuskajohtorakenne 11 muodostuu ympyrän muotoisesti lähes täyden kierroksen kiertävästä liuskajohtimes-20 ta 3', jonka loppupäässä on, samoin kuin kuvioiden 1a ja 1b tapauksessakin, läpimenopiste, jota on merkitty viitenumerolla 7'. Myös muita vastaavia osia, kuten kytkentäjohdinta, kytkentäpistettä ja maadoituslevennystä, on esitetty vastaavilla viitenumeroilla kuin kuvioissa 1a ja 1b, mutta 25 pilkulla varustettuna. Liuskajohtorakenteen keskelle on sovitettu lämpötilakertoimen kompensointikondensaattorin levy 12. Tämän levyn 12 kokoa muuttamalla voidaan muuttaa resonaattorin avoimen pään kapasitanssia CQ (kaava 2), ja vaikuttaa siten resonaattorin lämpötilastabiilisuuteen.

30 Liuskajohtorakenne 11 on läpimenopisteiden 7' ja 10' avulla kytketty levyn 1 vastakkaisella puolella olevaan liuskajohtorakenteeseen 13, joka kiertää lähes ympy-räspiraalin muotoisesti sisäänpäin useamman kierroksen kohti keskipistettä, joka sijaitsee vastapäätä kondensaat-35 torilevyä 12.

6 75450

Samassa tasossa olevien johdinliuskojen väli ja liuskojen leveys voidaan valita siten, että liuskassa syntyvien resistiivisten häviöiden ja eristeaineessa syntyvien dielektristen häviöiden summa saadaan minimoitua.

5 Kuvioissa esitetyt kaksi suoritusmuotoa koskevat siis kumpikin tapausta, jossa eristelevyjä on ainoastaan yksi. Keksinnön mukaisesti voi resonaattori käsittää useampiakin päällekkäisiä eristelevyjä, joissa kussakin on oma liuskajohtokuvionsa. Keksinnön mukaista "spiraa-10 lia" voidaan jatkaa loputtomiin esim. siten, että toisessa liuskajohtokerroksessa kierretään sisäänpäin jonkin verran, sen jälkeen mennään läpi kolmanteen kerrokseen ja kierretään ulospäin, mennään ulkokehältä läpi neljänteen kerrokseen, kierretään neljännessä kerroksessa jälleen 15 sisäänpäin, mennään sisäkehältä läpi viidenteen kerrokseen ja kierretään jälleen ulospäin, jne.

Keksinnön mukainen resonaattorirakenne on edullista sijoittaa metalliseen tai sähköä johtavasti pinnoitettuun koteloon joko siten, että toinen tai molemmat joh-20 dinliuskan päät on kytketty johtavasti koteloon, tai siten, että ne on eristetty kotelosta. Koteloimalla resonaattori saadaan liuskan ominaisimpedanssi sellaiseksi, että kokonaishäviöt minimoituvat.

Lämpötilakertoimen kompensointi perustuu keksinnön 25 mukaisessa rakenteessa pääasiassa resonaattorirakenteen eri kerroksissa olevien liuskajohtimien välisen kytkennän muuttumiseen eristelevyn tai -levyjen paksuuksien muuttuessa lämpötilan muuttuessa. Mitoittamalla rakenne käytetyn levymateriaalin mukaan oikein, on lämpötilaker-30 roin helppo saada halutuksi.

Keksinnön mukainen resonaattorirakenne on helppo valmistaa sarjatuotantomenetelmin metallilaminoidusta eristeaineesta tunnetulla painopiiritekniikalla tai paksu- tai ohutkalvohybriditekniikan menetelmin. Useita kek-35 sinnön mukaisia resonaattoreita voidaan myös yhdistää esim.

Il 7 75450 suodatin- tai viivelinjapiireiksi. Tällaisessa usealla keksinnön mukaisella resonaattorilla toteutetussa piirissä on erittäin helppo toteuttaa tarkasti ulosotot tai induktiiviset ja kapasitiiviset kytkennät tai sijoittaa 5 muut osat ns. hybridirakenteeksi.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten kuvioiden mukaisiin esimerkkeihin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut niihin, vaan sitä voidaan muunnella useillakin tavoilla oheisten patenttivaatimus-10 ten esittämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Alan asiantuntija pystyy siten muuttamaan liuskajohtorakenteen muotoa ja mitoitusta monin tavoin, riippuen piiriltä vaadittavista ominaisuuksista, poikkeamatta silti keksinnön hengestä.

Claims (6)

8 75450

1. Liuskajohtoresonaattori, joka käsittää eriste-aineesta valmistetun levyn (1) pinnalle sähköä hyvin joh- 5 tavasta materiaalista valmistetun, oleellisesti tasomaisen ja ympyrä- tai monikulmiospiraalin muotoa muistuttavan liuskajohdinrakenteen (2, 8, 11, 13), tunnet-t u siitä, että se käsittää ainakin kaksi tällaista, oleellisesti tasomaista liuskajohtorakennetta (2, 8; 11, 10 13), jotka on sovitettu kerroksittain ja kytketty sarjaan siten, että johtimissa (3, 3') kulkevien sähkövirtojen magneettikentät ovat samansuuntaiset.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen liuskajohtoresonaattori, tunnettu siitä, että se käsittää kaksi 15 mainitun kaltaista sarjaan kytkettyä liuskajohtorakennetta (2, 8; 11, 13), jotka ovat eristelevyn (1) eri puolilla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen liuskajohtoresonaattori, tunnettu siitä, että se muodostuu useam- 20 masta päällekkäisestä eristelevystä (1) ja niillä olevista sarjaan kytketyistä liuskajohtorakenteista.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen liuskajohtoresonaattori, tunnettu siitä, että se on sijoitettu metalliseen tai sähköä johtavasta pinnoitettuun 25 koteloon.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukaisen liuskajohtoresonaattorin käyttö siten, että useita reso-naattoreita on koottu suodatinpiiriksi.

6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukaisen 30 liuskajohtoresonaattorin käyttö siten, että useita reso- naattoreita on koottu viivelinjapiiriksi. Il