FI89644B - Temperaturkompenserad resonator - Google Patents

Description

8 9 6 4 4 Lämpötilakompensoitu resonaattori - Temperaturkompenserad resonator 5 Tämä keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaiseen lämpötilakompensoituun resonaattoriin. Keksintö koskee erityisesti sellaisen radiotaajuisen resonaattorin lämpötilakompensointia, jossa lähes puolen aallon tai nel-jännesaallon pituinen sauva tai lieriökelan muotoon kier-10 retty johdin on ympäröity joka puolelta metallisella vaipalla ja jossa sauvan tai kelan avoin pää on tietyn etäisyyden päässä vaipasta.

Edellä esitetyn tyyppinen koaksiaaliresonaattori koostuu 15 tyypillisesti kuparisesta resonaattorisauvasta ja sitä ym päröivästä alumiinikotelosta, jonka yksi seinämä on määrätyn etäisyyden päässä sauvan kärjestä, jolloin sauvan kärjen ja seinämän välinen kapasitanssi muodostaa resonaattorille kapasitiivisen kuormituksen. Sauvan toinen pää on 20 oikosuljettu kotelon toiseen, vastakkaiseen johtavaan sei nämään. Helix-resonaattori poikkeaa koaksiaaliresonaatto-rista periaatteessa vain siinä, että sisäjohdin, sauva, on kierretty lieriökelan muotoon, jolloin päästään pienempään kokoon. Koaksiaali- ja helix-resonaattoreilla on eräs pe-':':25 rusvaikeus, nimittäin riittävän lämpötilastabiliteetin ai kaansaaminen. Käyttöympäristöissä, joissa on odotettavissa suuria lämpötilavaihteluita, voi esiintyä suuria siirtymiä keskitaajuudessa johtuen rakenteen lämpölaajenemisen aiheuttamista dimensioiden muutoksista ja sitä kautta säh-:--30 köisissä ominaisuuksissa. Toiseksi käytettäessä resonaat- toria tehosovelluksissa lämpenee resonaattorisauva voimakkaasti etenkin sen avoimen pään kohdalla, jossa kentänvoimakkuus on suurin. Tämä sauvan lämpeneminen pidentää sitä ja lyhentää sauvan kärjen ja kotelon seinämän välistä e-’· 35 täisyyttä. Tyypillisesti lämpötilan noustessa resonanssi- . \ taajuus laskee ja vastaavasti lämpötilan lasku nostaa re- sonanssitaajuutta.

89644 2 Lämpötilanvaihtelun aiheuttaman keskitaajuuden muutoksen kompensoimiseksi on käytetty lukuisia menetelmiä. Pääasiassa nämä menetelmät perustuvat siihen, että koska resonaattorin värähtelypiiri muodostuu rinnankytketyistä kuor-5 mituskapasitanssista ja sauvan induktanssista, järjestetään kapasitanssi sillä tavalla muuttuvaksi, että se kompensoi mahdollisimman hyvin induktanssin muutoksen. Tämä on luonnollista siksi, että kapasitanssiin on helpompi vaikuttaa kuin induktanssiin. Menetelmissä pyritään siten 10 pienentämään kuormituskapasitanssia lämpötilan kasvun mu kaan.

Eräs tavanomaisimmista tavoista on hakea resonaattorisau-van pään ja kotelon päädyn, jota tässä nimitetään kotelon 15 kanneksi, välinen etäisyys sopivaksi, jolloin lämpötilan muuttuessa resonaattorisauvan ja kannen välinen etäisyys muuttuu siten, että resonanssitaajuus pysyy mahdollisimman hyvin paikallaan. Käytännössä joudutaan useimmiten resonaattorisauvan pään ja kotelon kannen välinen etäisyys te-20 kemään hyvin pieneksi, jolloin haittana on tällöin ensin näkin se, että tehtäessä mainittu etäisyys hyvin pieneksi huononee resonaattorin Q-arvo, koska sauvan pään ja kannen välinen kapasitanssi eli resonaattorin kuormitus kasvaa. Lisäksi jos etäisyys tehdään liian pieneksi, on seuraukse-25 na läpilyönnin vaara etenkin käytettäessä resonaattoreita tehosovelluksissa kuten esim. radiolaitteiden lähetinsuo-dattimissa, koska tunnetusti resonaattorin sähkökentän maksimi on sauvan tai helix-kelan kärjessä. Tämän tavan heikkous on vielä se, että läpilyönnin vaara kasvaa mai-30 nittua etäisyyttä pienennettäessä. Läpilyönnin vaara ja Q-arvon nopea huonontuminen asettavat esteen täydellisen kompensoinnin saavuttamiselle, joten kompensointi on luonteeltaan alikompensointia. Toinen tunnettu tapa on sijoittaa sauvaresonaattorin kärkeen bimetalliliuska niin, että 35 se on yhdensuuntainen kannen kanssa. Lämpötilan kasvaessa liuska taipuu kannesta poispäin pienentäen siten kuormituskapasitanssia lämpötilan mukaan. Tämän menetelmän haittoina on kuten ensimmäisessäkin menetelmässä se, että bi- 3 89644 metal1iliuska heikentää reso-naattorin Q-arvoa, ja lisäksi se, että bimetallia on hyvin hankala työstää. Bimetalli-liuska voidaan sijoittaa myös kotelon kanteen, mutta se on sikäli huono paikka, että kannen lämpötila on paljon alem-5 pi kuin resonaattorin kärjen lämpötila, jolloin bimetalli ei seuraa sitä lämpötilaa mitä pitäisi. Tämäntapainen bi-metalliliuskaratkaisu tunnetaan esim. patenttijulkaisusta US-3 740 677. Kolmas tapa on valita käytetyt materiaalit sellaisiksi, että lämpötilamuutokset vaikuttavat hyvin 10 vähän niiden mittoihin. Ennen kaikkea valinta kohdistuu sauvan materiaaliin, joksi valitaan esim. pinnoitettu rauta, jolla on pienempi lämpötilakerroin kuin tavallisesti käytetyllä kuparisauvalla. Haittana on tällöin resonaattoreista kootun suodattimen painon kasvu.

15 Tämän keksinnön tavoitteena on aikaansaada sellainen resonaattorin lämpötilakompensointi, jolla voidaan saavuttaa yli-, ali- ja täsmäkompensointi ja jolla ei ole edellä esitettyjen tunnettujen toteutusten haittoja. Toisena ta-20 voitteena on saada aikaan lämpötilakompensointi, joka so veltuu sekä helix- että sauvaresonaattoreille ja niistä konstruoiduille suodattimille ja on helposti ja edulli-' sesti sovellettavissa teolliseen tuotantoon.

'25 Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi on keksinnön mukaisel le ratkaisulle tunnusomaista se, mikä on esitetty oheises-··· : sa patenttivaatimuksessa 1.

Keksinnön mukaisesti asetetaan resonaattorisauvan • 30 avoimen pään ja sitä vastapäätä olevan resonaattoriko- telon päätyseinämän väliin johtavaa materiaalia oleva levymäinen kappale, jonka keskiosa on tasainen sekä kotelon päätyseinämän suuntainen ja välimatkan päässä siitä. Kappaleen vastakkaiset reunaosat on taivutettu 35 päätyseinämän suuntaan ja kiinnitetty siihen sähköisesti ja mekaanisesti luotettavasti. On oleellista, että levymäisen kappaleen lämpötilakerroin on pienempi kuin kotelon sen pinnan lämpötilakerroin, johon 8 9 64 4 4 se on kiinnitetty. Sen materiaaliksi sopii hyvin kupari, kun kotelon materiaalina on alumiini. Levymäinen kappale toimii kompensointilevynä, joka kiinnitysalustaansa pienemmän lämpölaajenemisen vuoksi lisää resonaattorisauvan avoi-5 men pään ja sitä vastapäätä olevan kompensointilevyn välisen etäisyyden muutosta muuttaen siten resonaattorin kuormitus-kapasitanssia lämpötilan mukaan. Kompensointilevyn muotoilulla, lämpötilakertoimella ja etäisyyden valinnalla resonaattori sauvan kärjestä voidaan saada aikaan joko ali-, 10 yli- tai täsmäkompensointi. Mainitut seikat sopivasti valitsemalla voidaan järjestää kompensointi myös sellaiseksi, että suodatin lämmetessään "ryömii" eli siirtyy siihen suuntaan, jossa sen läpäisyvaimennus on pienempi. Suodattimen tuottama häviölämpö pienenee tällöin ja suodattimen 15 tai sen resonaattorin tuhoutumisen vaara pienenee.

Keksintöä selostetaan seuraavassa havainnollisemmin viittaamalla oheisiin kuviin, joissa kuva 1 esittää kokoonpanokuvaa eräästä resonaattorista, 20 jossa on käytetty keksinnön mukaista lämpötila- kompensointia , kuva 2 on kompensointilevy päältä katsottuna, kuva 3 on leikkauskuva kompensointilevystä, ja kuva 4 esittää osittaista leikkausta resonaattorista 25 kompensointilevy kiinnitettynä.

Kuvassa 1 on esitetty eräs sauvaresonaattorirakenne 1, joka tunnetulla tavalla käsittää resonaattorisauvan 3 ja sitä aksiaalisesti ympäröivän kotelon 2, johon liittyvät pääty-30 pinnat 4 ja 4'. Sauva 3 on toisesta päästään kiinnitetty päätypintaan 4', jota voidaan nimittää pohjaksi. Sauvan toinen, vapaa pää on (kuva 4) määrätyllä etäisyydellä pääty-pinnasta 4, jota voidaan nimittää kanneksi. Tämä perusrakenne on sinänsä tavanomainen ja voi luonnollisesti vaihdella. 35 Liitännät resonaattoriin kytkeytymiseksi on selvyyden vuoksi jätetty esittämättä. Kotelo 2 voi olla pyöreä tai poikkileikkaukseltaan myös suorakaiteen muotoinen sisältäen useita resonaattorisauvoja. Tavallisesti kotelo on alumiinia, joka 8 9 6 4 4 5 on sisäpuolelta pinnoitettu esim. hopealla ja sauva on kupariputkea, joka on samoin pinnoitettu ulkopinnaltaan. Sauvan 3 kärjen etäisyys kannesta 4 (välimatka a+b kuvassa 4) määrää tunnetusti resonaattorin kuormituskapasitanssin 5 silloin, kun levyä 5 ei käytetä. Resonaattorin ollessa käytössä sähköisen piirin esim. suodattimen osana sauva 3 lämpiää ja sen seurauksena pitenee, jolloin resonanssitaajuus pienenee. Tämä voidaan estää käyttämällä keksinnön mukaista kompensointilevyä 5 kotelon 2 kannen 4 ja resonaat-10 torisauvan 3 välissä.

Kompensointilevy 5 on ohuesta metallista meistämällä ja taivuttamalla tehty levy, jonka muoto vastaa kannen 4 muotoa, kuten kuvasta 1 ilmenee. Levyn lämpötilakerroin on 15 pienempi kuin kannen 4, jolloin kannen ollessa alumiinia levyaines on edullisesti kuparia. Kompensointilevy 5 ei ole aivan tasomainen vaan siihen on muodostettu taivuttamalla pinta 12, joka on olennaisesti yhdensuuntainen levyn reunaosien 8, 9 pinnan kanssa, kuva 3. Tämä voidaan aikaan-20 saada kuvan 2 mukaisesti siten, että levymäiseen aihioon sen vastakkaisten reunojen lähelle meistetään sivujen suuntaiset urat 6, 7. Tämän jälkeen urien väliin jäävään levyn osaan tehdään taivutukset, niin että muodostuu kuvan 3 mukainen profiili, jossa on reunapinnat 8, 9, niihin rajoit-25 tuvat vinot sivupinnat 10, 11 ja suora pohjapinta 12, joka on etäisyydellä a levyn reunapinnoista. Kompensointilevyyn voidaan tehdä jonkin muunkin muotoinen pinta, jonka syvyys on a, mutta tällöin on huolehdittava siitä, etteivät levyn lämpenemisessä syntyvät jännitykset aiheuta hallitsemattomia 30 muodonmuutoksia levyyn.

Kun kompensointilevy 5 on tehty, se sijoitetaan kokoonpanossa kuvan 1 osoittamalla tavalla resonaattorin 1 kannen 4 alle, jolloin koottu rakenne on kuvan 4 mukainen. Kompen-35 sointilevyn 5 pinnan 12 etäisyys resonaattorin kannesta 4 on a ja resonaattorisauvan kärjen etäisyys pinnasta 12 on b. Tämä etäisyys b määrää suurelta osin resonaattorin ka-pasitiivisen kuormituksen. Kun nyt suodatinsovelluksessa.

6 8 9 6 h 4 esimerkiksi lähetinsuodattimessa, suodatin kuumenee, aiheuttaa se sen, että sauva 3 pitenee. Lämpenemisen johdosta myös kotelo 2 pitenee sauvan suunnassa ja välimatka a+b kasvaa eli kapasitiivinen kuormitus (jos ei käytetä kompensointile-5 vyä 5) pienenee. Tämä ei kuitenkaan riitä kompensoimaan re-sonanssitaajuuden muutosta, vaan täydellinen kompensointi saavutetaan levyn 5 avulla. Kun lämmön vaikutuksesta kansi 4 laajenee, aiheuttaa se sen, että se ikäänkuin pyrkii "suoristamaan" siihen kiinnitettyä kompensointilevyä, jonka 10 lämpötilakerroin on pienempi kuin kannella 4. Tällöin välimatka a pienenee lämpötilan noustessa ja kompensointilevyn 5 tasainen osa 12 "pakenee" sauvan 3 kärkeä. Oikealla mitoituksella voidaan saada sellainen tilanne, että etäisyys b ja sitä kautta resonaattorin kuormituskapasitanssi pienenee 15 lämpötilan kasvaessa täysin hallitusti siten, että resonans-sitaajuus pysyy muuttumattomana lämpötilan muuttuessa. Mitoituksella voidaan myös helposti järjestää joko ylikom-pensointi, jolloin resonaattorin taajuus kasvaa halutusti lämpötilan noustessa. Tämä on joskus edullista, sillä useita 20 resonaattoreita käsittävän suodattimen tapauksessa joudutaan vaimennuskäyrän yläpäässä pienemmän vaimennuksen alueelle, jolloin läpäisyvaimennus on pienempi, resonaattorin lämpötila pienenee ja tätä kautta myös taajuus pienenee. Joissakin tapauksissa on edullista käyttää alikompensointia, jolloin 25 lämpötilan kasvaessa taajuus pienenee halutulla nopeudella.

Edellä on selostettu erästä keksinnön edullista suoritusmuotoa. Patenttivaatimusten suojapiirissä pysyen voidaan keksintö toteuttaa lukuisin eri tavoin. Sitä voidaan käyttää 30 paitsi koaksiaali- ja helix-resonaattoreiden kompensointiin myös onteloresonaattorin ja periaatteessa myös keraamisen resonaattorin kompensointiin. Sijoittamalla onteloresonaattorin yhdelle seinämälle kompensointilevy voidaan ontelon tilavuutta ja siten resonanssitaajuutta muuttaa hallitusti 35 lämpötilan mukaan. Kompensointilevyn muoto ei ole mitenkään rajoitettu, olennaista on ainoastaan se, että sen lämpötila-kerroin on pienempi kuin resonaattorirakenteen sen osan, johon levy on kiinnitetty. Kompensointilevyn käyttö parantaa 7 S 9 64 4 myös resonaattorin Q-arvoa kahta kautta: ensinnäkin sen sähkönjohtavuus on parempi kuin varsinaisen kotelomateriaa-lin (esimerkiksi kupari vs. alumiini) ja sähkönjohtavuutta voidaan helposti parantaa lisää pinnoittamalla kompensointi-5 levy esim. hopealla ja pinnoittaa kotelo ja varsinkin sen kansi halvemmalla ja huonommalla aineella esim. tinalla. Toiseksi koaksiaali- ja helix-resonaattorin tapauksessa voidaan sauvan kärjen ja sitä vastapäätä olevan johtavan pinnan etäisyys (lähtötilanteessa) tehdä suuremmaksi kuin 10 on mahdollista ilman kompensointllevyä. Kuormituskapasitans-si on siten pienempi ja resonaattorin Q-arvo parempi. Kompensointi levyyn voidaan helposti sijoittaa jokin säätöosa, esimerkiksi kuvassa 3 katkoviivalla esitetty kieleke S, jota taivuttamalla voidaan resonanssitaajuus virittää koh-15 dalleen. Levyyn voidaan tehdä myös reikä, esimerkiksi kuvan 2 mukaisesti katkoviivalla esitetty reikä R, jonka kautta kanteen 4 kiinnitetty resonanssitaajuuden virittämiseen tarkoitettu tunnettu säätöruuvi tms. säätöosa (ei esitetty) kulkee.

20

Claims (9)

1. Lämpötilakompensoitu radiotaajuudelle tarkoitettu koaksiaaliresonaattori, johon kuuluu - ulkojohtimena toimiva johtavaa ainetta oleva kotelo, 5 jossa on sivupinta (2) ja ensimmäinen (4) ja toinen (4) päätypinta, - kotelon sisällä oleva sisäjohdin (3), jonka toinen pää on oikosuljettu koteloon (2) ja toinen pää on avoin ja etäisyydellä ensimmäisestä päätypinnasta (4), t u n - 10. e t t u siitä, että - kotelon sisäpuolella on vastapäätä sisäjohtimen avointa päätä kompensointilevy (5), jonka keskiosa (12) on välimatkan (a) päässä ensimmäisestä päätypinnasta (4) ja on edullisesti sen suuntainen ja joka on ainakin kahdesta 15 vastakkaisesta reunaosasta (8, 9) kiinnitetty ensimmäiseen päätypintaan (4), - kompensointilevyn (5) lämpöpitenemiskerroin on pienempi kuin ensimmäisen päätypinnan lämpöpitenemiskerroin, jolloin resonaattorin lämpötilan noustessa kompensointilevyn 20 (5) keskiosa (12) lähenee ensimmäistä päätypintaa (4).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpötilakompensoitu resonaattori, tunnettu siitä, että keskiosan (12) ja kummankin reunaosan (8 ja 9) välissä on niitä yhdistävä 25 osa (10 ja 11), joka on vinossa kulmassa keskiosaan (12) nähden.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen lämpötilakompensoitu resonaattori, tunnettu siitä, että kompensointi - 30 levy on yhtä kappaletta oleva taivuttamalla muodostettu levy.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpötilakompensoitu resonaattori, tunnettu siitä, että kompensointi - 35 levyn (5) pinta, joka on poispäin ensimmäisestä päätypinnasta (4), on pinnoitettu sähköä hyvin johtavalla aineella, kuten hopealla. 9 89644

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpötilakompensoitu resonaattori, tunnettu siitä, että ensimmäinen päätypinta (4) on alumiinia ja kompensointilevy (5) on kuparia. 5

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpötilakompensoitu resonaattori, tunnettu siitä, että kompensointi -levyn (5) keskiosassa on reikä (R), jonka kautta ensimmäi-seen päätypintaan (4) kiinnitetty resonanssitaajuuden 10 säätöelin voi kulkea.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpötilakompensoitu resonaattori, tunnettu siitä, että kompensointi -levyyn on tehty leikkaamalla kieleke (S), jota voidaan 15 taivuttaa sisäjohtimeen (3) päin tai siitä poispäin, jolloin voidaan säätää resonaattorin resonanssitaajuutta.

8. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen lämpötilakompensoitu resonaattori, tunnettu siitä, 20 että sitä käytetään radiotaajuussuodattimessa.

8 89644

9. Useista koaksiaaliresonaattoreista muodostettu ra-diotaajuussuodatin, jossa kutakin resonaattoria ympäröi ulkojohtimena toimiva johtavaa ainetta oleva kotelo ja "'25 jossa kunkin resonaattorin sisäjohtimen (3) toinen pää on oikosuljettu koteloon ja toinen pää on avoin ja etäisyydellä kotelon yhdestä päätypinnasta (4), tunnettu siitä, että - kotelon sisällä sen päätypinnassa (4) ainakin yhden 30 sisäjohtimen avoimen pään kohdalla on kompensointilevy (5), jonka keskiosa (12) on välimatkan (a) päässä pääty-pinnasta (4) ja on edullisesti sen suuntainen ja joka on ainakin kahdesta vastakkaisesta reunaosasta (8, 9) kiinnitetty päätypintaan (4), 35. kompensointilevyn (5) lämpöpitenemiskerroin on pienempi kuin päätypinnan lämpöpitenemiskerroin, jolloin päätypin-nan lämpötilan noustessa kompensointilevyn (5) keskiosa (12) lähenee päätypintaa (4). ίο *96 4 4