FI80163B

FI80163B - Helix resonator

Info

Publication number: FI80163B
Application number: FI884503A
Authority: FI
Inventors: Lauri Kuokkanen
Original assignee: Solitra Oy
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1989-12-29
Also published as: FI884503A0; FI80163C

Abstract

The invention concerns a helix resonator, which includes a guiding structure (1) wound by a metal thread (3), principally in the form of a cylindrical coil, which is fixed to a circuit plate (2) and surrounded by a metallic or metal casing. In order for the resonator to be produced more easily than before and for its structure to be able to guarantee easier temperature compensation, the coil axis (A) has been laid essentially parallel to the circuit plate (2), and at least one of the winding turns on the coil has a protruding piece (4) which rests against the circuit plate structure.<IMAGE>

Description

1 801631 80163

Helix-resonaattoriHelix resonator

Keksinnön kohteena on helix-resonaattori, joka käsittää metallilangasta oleellisesti lieriökelan muotoon 5 kierretyn johdinrakenteen, joka on kiinnitetty virtapiiri-levylle, ja joka on ympäröity metallisella tai metallista valmistetulla kotelolla.The invention relates to a helix resonator comprising a conductor structure wound from a metal wire in the form of a cylindrical coil 5, fixed to a circuit board and surrounded by a metal or metal housing.

Sähköteknisten suodattimien perusrakenneosina ovat erilaiset kelat ja kondensaattorit laajasti käytettyjä. 10 Taajuuden kasvaessa satojen megahertsien suuruusluokkaan häviöt alkavat kasvaa, samoin erityisesti kondensaattorien rakenteesta johtuvat sivuilmiöt. Kondensaattorin sarjain-duktanssi ei enää ole merkityksetön tekijä, eikä myöskään kelan kierrosten välinen hajakapasitanssi ympäristöön näh-15 den. Kondensaattorien ja kelojen rakenteilla voidaan ongelmia vähentää tiettyyn rajaan asti, mutta taajuuden kasvaessa kasvavat sekä kondensaattorien että kelojen häviöt lopulta niin suuriksi, että erilaiset siirtojohto- ja on-teloresonaattorit ovat häviöiltään ainoa vaihtoehto.Various coils and capacitors are widely used as basic components of electrotechnical filters. 10 As the frequency increases to the order of hundreds of megahertz, the losses start to increase, as do the side effects, especially due to the structure of the capacitors. The series ductance of the capacitor is no longer an insignificant factor, nor is the stray capacitance between the revolutions of the coil in relation to the environment. Capacitor and coil designs can reduce problems to a certain extent, but as the frequency increases, the losses of both capacitors and coils eventually increase to such an extent that different transmission line and on-telon resonators are the only option in terms of losses.

20 Koaksiaaliresonaattorit ovat pienihäviöisinä eniten käytettyjä varsinkin suurilla tehoilla. Häviöt pienenevät resonaattorin koon kasvaessa ja samalla tehonkesto paranee. Korkeammilla taajuuksilla aina noin 10-15 GHz asti käytetään yleisesti liuska- ja mikroliuskatekniikkaa.20 Coaxial resonators are the most widely used low-loss resonators, especially at high powers. The losses decrease as the size of the resonator increases and at the same time the power endurance improves. At higher frequencies up to about 10-15 GHz, strip and microstrip technology is commonly used.

25 Taajuusalueella 100-1000 MHz tulevat sekä koaksiaa- li- että liuskajohtoresonaattorit monissa tapauksissa suurikokoisiksi ja kalliiksi. Tällä taajuusalueella käytetään yleisesti ns. helix-resonaattoreita, joilla saavutetaan hyvä tilavuus/häviösuhde. Helix-resonaattorit poikkeavat 30 koaksiaaliresonaattoreista rakenteeltaan siten, että niiden keskijohdin on kierretty kelaksi. Helix-resonaattori muodostuu siten esim. kuparilangasta tehdystä lieriökelas-ta, joka on sovitettu metallisen tai metallilla päällystetyn kotelon sisään. Kelan halkaisijan suhde ulkovaipan 35 sisämittaan ja kelan nousu määräävät pääasiassa helix-re- 2 80163 sonaattorin ominaisimpedanssin, joka on mitoituksesta riippuen muutamia satoja ohmeja. Kelan muotoinen keskijoh-din on rakennelman kriittisin osa. Se on tuettava hyvin, jotta tärinä ja iskut eivät saa sitä siirtymään paikal-5 taan. Tuentaan käytetyn materiaalin on oltava pienihävi-öistä ja samalla lujaa ja lämpötilanvaihteluja kestävää. Rakenteesta tulee kuitenkin vaikea ja kallis valmistaa sarjatuotannossa, erityisesti resonaattorin koon pienentyessä. Valmistus vaatii myös erikoistyökaluja ja tulee 10 siten kalliiksi.In the frequency range of 100-1000 MHz, both coaxial and stripline resonators become large and expensive in many cases. In this frequency range, the so-called helix resonators with good volume / loss ratio. Helix resonators differ from coaxial resonators 30 in that their center conductor is wound into a coil. The Helix resonator thus consists, for example, of a cylindrical coil made of copper wire, which is arranged inside a metal or metal-coated housing. The ratio of the coil diameter to the inner dimension of the outer jacket 35 and the rise of the coil mainly determine the specific impedance of the helix resonator, which is a few hundred ohms depending on the dimensioning. The coil-shaped center conductor is the most critical part of the structure. It must be well supported so that it cannot be displaced by vibrations and shocks. The material used for the support must be low-loss and at the same time strong and resistant to temperature fluctuations. However, the structure becomes difficult and expensive to manufacture in series production, especially as the size of the resonator decreases. Manufacturing also requires special tools and thus becomes expensive.

Resonaattorin resonanssitaajuuden lämpötilastabiili-suus on myöskin oleellinen tekijä arvosteltaessa resonaattorin käyttökelpoisuutta. Resonaattorin raaka-aineella, joka on tavallisimmin kuparia, on oma lämpölaajenemisker-15 toimensa, samoin kotelon raaka-aineella. Lämpötilan kasvaessa lämpölaajeneminen pidentää resonaattoria ja muuttaa resonanssitaajuutta. Kaikkien toisesta päästään avoimien siirtojohtoresonaattorien resonanssitaajuus saadaan lausekkeesta : 20 f0 = 300/(4‘l/6r ) (1) missä f0 on resonanssitaajuus megahertseissä, 1 on resonaattorin pituus metreinä, 6r on väliaineen suhteellinen eristevakio.The temperature stability of the resonant frequency of the resonator is also an essential factor in evaluating the usability of the resonator. The raw material of the resonator, which is most commonly copper, has its own thermal expansion coefficient-15 action, as does the raw material of the housing. As the temperature increases, thermal expansion lengthens the resonator and changes the resonant frequency. The resonant frequency of all transmission line resonators open at one end is given by: 20 f0 = 300 / (4’l / 6r) (1) where f0 is the resonant frequency in megahertz, 1 is the length of the resonator in meters, 6r is the relative insulation constant of the medium.

25 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. Kapasitanssilyhentää resonaattoria. Näin lyhennetyn 30 resonaattorin pituus saadaan lausekkeesta: 1 = 300/(4*l/er )’2/n*arctan(Z0/2nf0C0 ) (2) missä Z0 on resonaattorin ominaisimpedanssi, ja C0 on resonaattorin avoimen pään kapasitanssi.25 However, the effect of open end capacitance is not taken into account here. The shield is made as short as possible to save space, in which case the capacitance of the center conductor against the end of the sheath may be considerable. Capacitance shortens the resonator. The length of the 30 resonators thus abbreviated is given by the expression: 1 = 300 / (4 * l / er) ’2 / n * arctan (Z0 / 2nf0C0) (2) where Z0 is the characteristic impedance of the resonator and C0 is the open end capacitance of the resonator.

35 Käytännössä lämpölaajenemisen aiheuttama resonaatto- 3 80163 rin piteneminen ja siitä seuraava resonanssitaajuuden yhtälöjen (1) ja (2) mukainen aleneminen kompensoidaan joko estämällä keskijohtimen piteneminen sen sopivalla materiaalivalinnalla ja rakenteella tai muuttamalla resonaatto-5 rin avoimen pään kapasitanssia C0 niin, että resonanssi-taajuus f0 pysyy muuttumattomana. Helix-resonaattorin tapauksessa on päästy lämpötilakertoimen arvoon nolla, mutta käytännön toteutus on erittäin hankala.35 In practice, the elongation of the resonant 3 80163 caused by thermal expansion and the consequent decrease in the resonant frequency according to Equations (1) and (2) are compensated either by preventing the center conductor elongation by its appropriate material selection and structure or by changing the resonant 5 open f0 remains unchanged. In the case of the Helix resonator, the value of the temperature coefficient has reached zero, but the practical implementation is very cumbersome.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena onkin poistaa 10 edellä kuvattuja ongelmia ja saada aikaan helix-resonaat-tori, joka on aikaisempaa helpommin valmistettavissa ja jonka rakenne samalla takaa yksinkertaisen lämpöstabiili-suuskompensoinnin. Alussa kuvatun kaltaisella helix-reso-naattorilla tämä saavutetaan siten, että kelan akseli on 15 oleellisesti piirilevyn suuntainen, ja että ainakin yhdessä kelan kierroksessa on ulkoneva osa, joka nojaa piiri-levyrakennetta vasten. Keksinnön mukaisena perusajatuksena on siten muodostaa lieriökela sellaiseksi, että se nojaa määrätystä pisteestä piirilevyä vasten, jolloin se pysyy 20 paikallaan piirilevyllä koontajuotoksen aikana ja nojaus-kohtaa voidaan käyttää hyväksi lämpötilakompensoinnissa.It is therefore an object of the present invention to obviate the above-described problems and to provide a helix resonator which is easier to manufacture than before and whose structure at the same time guarantees simple thermal stability compensation. With a helix resonator as described at the outset, this is achieved in that the axis of the coil is substantially parallel to the circuit board and that at least one turn of the coil has a protruding part which rests against the circuit board structure. The basic idea according to the invention is thus to form a cylindrical coil such that it rests at a certain point against the circuit board, whereby it remains in place on the circuit board during assembly soldering and the bearing point can be used for temperature compensation.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti yhdistetään tällaiseen helix-rakenteeseen lämpötilakompensoin-tiin tarkoitettu kompensointikondensaattori siten, että 25 ulkoneva osa nojaa piirilevyssä olevaa ensimmäistä metal-lifolioliuskaa vasten, ja että piirilevyn vastakkaisella puolella on ensimmäisen metallifolioliuskan kohdalla toinen metallifolioliuska, joka on maadoitettu, jolloin muodostuu piirilevy väliaineena kondensaattori, jonka kapasi-30 tanssi muuttuu lämpötilan vaihteluiden mukaan. Koska tavallisesti käytetyn piirilevymateriaalin paksuuden muutos lämpötilan funktiona on merkittävästi suurempi kuin pituuden ja leveyden muutos, saa kyseinen oikein mitoitettu kondensaattori yhdessä helix-resonaattorin lämpötilan muu-35 toksen kanssa aikaan koko rakenteen resonanssitaajuuden i 80163 pysymisen lämpötilasta riippumattomana. Metalli-folioliuskojen pinta-alojen mitoituksella saadaan reso-nanssitaajuus lämpötilasta riippumattomaksi.According to a preferred embodiment of the invention, a compensation capacitor for temperature compensation is connected to such a helix structure so that the protruding part rests against the first metal foil strip on the circuit board and the second side of the circuit board has a second metal foil strip , whose kapasi-30 dance changes with temperature variations. Since the change in thickness as a function of temperature of a commonly used circuit board material is significantly greater than the change in length and width, this properly sized capacitor, together with the change in helix resonator temperature, causes the entire structure to remain independent of temperature. By dimensioning the areas of the metal-foil strips, the resonant frequency is made independent of temperature.

Seuraavassa keksintöä selitetään tarkemmin viitaten 5 oheisen piirustuksen mukaiseen esimerkkiin, jossa kuvio 1 esittää piirilevyllä olevaa resonaattorin kelaa sivulta päin nähtynä, ja kuvio 2 esittää kuvion 1 rakennetta kelan akselin suunnassa nähtynä, toisin sanoen kuvion 1 viivan Il-II 10 suunnasta nähtynä.The invention will now be described in more detail with reference to an example according to the accompanying drawing 5, in which Fig. 1 shows a side view of a resonator coil on a circuit board, and Fig. 2 shows the structure of Fig. 1 in the coil axis direction, i.e. in the direction II-II.

Kuviossa 1 ja 2 on esitetty helix-resonaattorin keski johtimen muodostama johdinrakenne 1 kiinnitettynä piirilevylle 2, joka on valmistettu jostakin pienihäviöisestä materiaalista, esim. tefloneristeisestä lasikuitulaminaa-15 tista. Johdinrakenne muodostuu oleellisesti lieriökelan muotoon kierretystä metallilangasta 3, joka on tavallisimmin kuparia. Selvyyden vuoksi ei kuvioissa ole esitetty resonaattorin koteloa, joka ympäröi johdinrakennetta 1 tunnettuun tapaan. Kelan yhteen välikierrokseen on muo-20 toiltu ulkoneva osa 4, ja kela on sovitettu piirilevylle 2 siten, että sen akseli A on oleellisesti piirilevyn 2 tason suuntainen. Lisäksi kelan ensimmäiseen kierrokseen eli vapaata päätä 5 vastapäätä olevaan päähän on muodostettu suora osa 6, joka on kiinnitetty piirilevyn pinnalla 25 olevan metallifolion muodostamaan virtapiiriin (ei esitetty) juottamalla tai muuten sähköä johtavasti. Kela nojaa piirilevyrakennetta vasten suoralla osallaan 6 sekä väli-kierrokseen muodostetulla ulkonevalla osalla 4. Tällaisen rakenteen ansiosta kela pysyy hyvin paikallaan virtapiiri-30 levyllä koontajuotoksen aikana.Figures 1 and 2 show a conductor structure 1 formed by the central conductor of a helix resonator attached to a circuit board 2 made of a low-loss material, e.g. Teflon-insulated fiberglass laminate. The conductor structure consists essentially of a metal wire 3 wound in the shape of a cylindrical coil, which is usually copper. For the sake of clarity, the resonator housing surrounding the conductor structure 1 is not shown in the figures in a known manner. A protruding part 4 is formed in one of the intermediate turns of the coil, and the coil is arranged on the circuit board 2 so that its axis A is substantially parallel to the plane of the circuit board 2. In addition, a straight portion 6 is formed in the first turn of the coil, i.e., at the end opposite the free end 5, which is attached to a circuit (not shown) formed by a metal foil on the surface 25 of the circuit board by soldering or otherwise electrically conductive. The coil rests against the circuit board structure with its straight part 6 and with the protruding part 4 formed in the intermediate circuit. Thanks to such a structure, the coil remains well in place on the circuit board 30 during assembly soldering.

Piirilevyn pinnalle, ulkonevan osan 4 kohdalle on muodostettu ensimmäinen metallifolioliuska 7, ja sen vastakkaiselle puolelle toinen metallifolioliuska 8, joka on maadoitettu. Kuvioissa on liuskojen 7 ja 8 paksuutta lii-35 oiteltu asian selventämiseksi, käytännössä ovat liuskat 5 80163 niin ohuita, että ulkoneva osa 4 ulottuu oleellisesti samalle tasolle kuin suora osa 6. Liuskat 7 ja 8 muodostavat kompensointikondensaattorin lämpötilan kompensointia varten. Lämpötilan kasvaessa piirilevyn 2 paksuus kasvaa 5 ja siten kompensointikondensaattorin kapasitanssi pienenee. Liuskojen pinta-alojen mitoituksella saadaan reso-nanssitaajuus lämpötilasta riippumattomaksi.A first metal foil strip 7 is formed on the surface of the circuit board, at the protruding portion 4, and a second metal foil strip 8 is grounded on the opposite side thereof. The thickness of the strips 7 and 8 is shown in the figures to clarify the matter, in practice the strips 5 80163 are so thin that the protruding part 4 extends substantially to the same level as the straight part 6. The strips 7 and 8 form a compensation capacitor for temperature compensation. As the temperature increases, the thickness of the circuit board 2 increases by 5, and thus the capacitance of the compensation capacitor decreases. By dimensioning the surface areas of the strips, the resonant frequency is made independent of temperature.

Vaikka keksintöä on edellä kuvattu viitaten oheisen piirustuksen mukaiseen esimerkkiin, on selvää, ettei kek-10 sintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella monin tavoin oheisten patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Esimerkiksi ulkoneva osa 4 voitaisiin toteuttaa muutenkin kuin muodostamalla väli-kierrokseen mutka edellä esitetyllä tavalla. Tällainen 15 vaihtoehtoinen rakenne saattaisi olla esimerkiksi kelaan kiinnitetty erillinen ulokepala. Myös suoran osan 6 muoto voi vaihdella.Although the invention has been described above with reference to the example according to the accompanying drawing, it is clear that the invention is not limited thereto, but can be modified in many ways within the scope of the inventive idea set forth in the appended claims. For example, the protruding part 4 could be realized other than by forming a bend in the intermediate round as described above. Such an alternative structure could be, for example, a separate protrusion attached to the spool. The shape of the straight part 6 can also vary.

Claims

A helix resonator, comprising a metal tree, substantially in the form of a cylindrical coil wound conductor structure (1), which is attached to a circuit board (2) in such a way that the coil axis (A) is substantially parallel to the circuit board (2), and which is surrounded by a metallic or metal-made casing, characterized in that at least one of the winding turns on the coil also has a protruding part (4) which rests on the circuit board structure.

Helix resonator according to claim 1, characterized in that a straight part (6) is formed in the first turn of the coil.

Helix resonator according to claim 2, characterized in that the protruding part (4) consists of a bend extending to substantially the same plane with the straight part (6).

Helix resonator according to claim 1, 2 or 20, characterized in that the protruding part (4) abuts against a first metal foil band (7) in the circuit board (2), and on the opposite side of the circuit board (2), opposite the first metal foil band (7), is another metal foil band (8), which is grounded, forming a capacitor with the circuit board (2) as a medium, which capacitance of the capacitor changes according to temperature changes.