FI80163C - Helix-resonator. - Google Patents

Description

1 80163

Helix-resonaattori

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (4)

6 80163

1. Helix-resonaattori, joka käsittää metallilangasta (3) oleellisesti lieriökelan muotoon kierretyn johdinra- 5 kenteen (1), joka on kiinnitetty virtapiirilevylle (2) siten, että kelan akseli (A) on oleellisesti piirilevyn (2) suuntainen, ja joka on ympäröity metallisella tai metallista valmistetulla kotelolla, tunnettu siitä, että ainakin yhdessä kelan kierroksessa on lisäksi ulkone-10 va osa (4), joka nojaa piirilevyrakennetta vasten.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen helix-resonaattori, tunnettu siitä, että kelan ensimmäiseen kierrokseen on lisäksi muotoiltu suora osa (6).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen helix-resonaatto-15 ri, tunnettu siitä, että ulkoneva osa (4) muodostuu mutkasta, joka ulottuu suoran osan (6) kanssa oleellisesti samalle tasolle.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen helix-resonaattori, tunnettu siitä, että ulkoneva osa 20 (4) nojaa piirilevyssä (2) olevaa ensimmäistä metallifo- lioliuskaa (7) vasten, ja että piirilevyn (2) vastakkaisella puolella on ensimmäisen metallifolioliuskan (7) kohdalla toinen metallifolioliuska (8), joka on maadoitettu, jolloin muodostuu piirilevy (2) väliaineena kondensaatto-25 ri, jonka kapasitanssi muuttuu lämpötilan vaihteluiden mukaan. ti 7 80163