JPH0650804B2 - 温度補償マイクロ波共振器 - Google Patents

温度補償マイクロ波共振器

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JPH0650804B2
JPH0650804B2 JP62500735A JP50073587A JPH0650804B2 JP H0650804 B2 JPH0650804 B2 JP H0650804B2 JP 62500735 A JP62500735 A JP 62500735A JP 50073587 A JP50073587 A JP 50073587A JP H0650804 B2 JPH0650804 B2 JP H0650804B2
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resonator
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Hughes Aircraft Co
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    • H01P7/06—Cavity resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
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    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/207—Hollow waveguide filters
    • H01P1/208—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure
    • H01P1/2082—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure with multimode resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/30—Auxiliary devices for compensation of, or protection against, temperature or moisture effects ; for improving power handling capability

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  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 マイクロ波共振器は本質的に共振周波数またはその近く
でエネルギーを通過させる同調電磁回路である。また１
以上の共振周波数を中心とした予め選択された帯域幅を
有する入力信号からの、および出力信号への望ましくな
い周波数の電磁信号を取除くためにフィルタとして使用
することができる。
共振器は、一般に電磁波が伝送される管状本体を具備す
る。この様な共振器に使用される典型的形は、形それ自
体は本発明を限定するものではないが、円柱形体、長方
形体、および球形体を含む。電磁エネルギーは典型的に
容量性または誘導性結合のような手段によって一端で導
入される。共振器空胴の側壁は波を閉鎖空間に制限する
境界として機能する。本質的に、導波管を通って伝播す
る電磁界の電磁エネルギーは空胴の壁に対する反射手段
によって下流端で受けられる。
導波管と関係する共振周波数は空胴の大きさの関数であ
る。従って、温度が変化すると空胴の実効的大きさを変
化させる共振器材料の膨脹または収縮によって共振周波
数が変化する。
それ故、この様な共振器はアンバ ニッケル−スチール
合金（以下“アンバスチール”と呼ぶ）のような比較的
高価で温度安定性の高い材料から構成される。しかしな
がら、この様な材料を使用しても周波数シフトの問題に
対して全体的に満足できる解決ではない。例えば、１２
ＧＨｚでは、アンバスチール共振器は典型的通信衛星の
動作温度に対して０．９ＭＨｚシフトすることが見出だ
された。用途によってはこのような大きさのシフトは大
きすぎて性能が低下することが避けられない。
広く言えば、本発明はこの様な周波数シフトを減少させ
る温度補償共振器を提供する。この様な共振器は１以上
の選択された共振周波数の電磁波を保持するような大き
さの空胴を有する導波管本体と、電磁エネルギーの共振
器に対する結合手段と、導波管の空胴の温度による大き
さの変化によって生じる共振器周波数の変化を最小にす
る温度によって大きさが変化するように構成された空胴
内の温度補償構造とを備える。
アンバスチール等から形成された共振器が温度変化の点
で許容できる周波数の安定性を与える場合でも、この様
な材料を使用することは衛星通信のような用途には欠点
となる。
まず、アンバスチールは比較的重い材料であり、ペイロ
ード重量が重要な要因となる欠点がある。第２に、アン
バスチールと他の低温度係数材料は低熱伝導性を有す
る。高電力通信衛星の場合、実質的量の熱は放散させな
ければならない。ある場合には、温度はスチールを融解
させる温度に到達することもある。アンバは低熱伝導性
であるために、共振器を冷却する積極的手段を使用する
必要がある。従って、追加重量および空間がこれら部品
を冷却するために割当てられなければならない。冷却装
置と関係する電力の必要量に関係した大きさと重量を考
慮しなければならない。
従って、ある形態では、本発明は、高電力通信衛星で使
用するのに特に適した空胴共振器に関する。共振器は、
関係する熱膨脹係数が高いために従来はこの様な使用に
は不適切な比較的軽量の熱伝導性材料からなる本体を有
する。この様な共振器は空胴の大きさの変化によって生
じた温度による共振周波数の変化を実質的に相殺する温
度補償手段を備える。好ましい形態では、この共振器は
共振器空胴の大きい温度による変化を調節するバイメタ
ル温度補償手段を使用する。従って、この様な材料は、
アンバスチールに勝る利点をもって使用できる。たとえ
ば、温度係数がそのような使用を制限するという事実に
もかかわらずアルミニウムのような軽量で容易に加工で
きる高熱伝導性金属が使用できる。
本発明に関する特定の説明と利点は、図面を参照にした
以下の本発明の好ましい実施例の詳細な説明から明らか
となるであろう。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明によって構成された導波管共振器を示
す概要的縦断面図であり、 第２図は、本発明によって構成された空胴共振器の別の
実施例の概要的縦断面図であり、 第３図は、本発明によって構成された温度補償結合絞り
の斜視図であり、 第４図は、本発明によって構成された温度補償結合絞り
の別の実施例の斜視図であり、 第５図は、本発明によって構成された空胴共振器の別の
実施例を示す部分的な縦断面図であり、 第６図は、本発明によって構成された空胴共振器で使用
される同調ねじの斜視図である。
好ましい実施例の説明 第１図は、温度補償構造を備えた空胴共振器の１例の概
略縦断面図である。当該技術では知られているように、
空胴共振器は、入力電磁エネルギーからの望ましくない
周波数の電磁信号をフィルタし、１以上の共振周波数を
中心とした予め定められた帯域幅を有する信号を出力す
るために使用される実効的な同調回路である。共振器
は、中心軸20の回りに一般に配置された一般に管状の側
壁11と、一つが符号13で示される一対の端壁を有する導
波管本体10を備える。
図示された共振器はさらに、導波管本体10の内部を一対
の空胴12a 、12b に分割する一般に環状で平らな結合絞
り22を具備する。絞りは端壁13と接合する空胴12a の軸
の大きさを規定する端壁部材として効果的に機能する。
ここで使用される、“端壁”および／または“端壁部
材”とは従って端壁と結合絞りの両方について使用され
る。結合絞りは空胴12a から空胴12b への電磁エネルギ
ーを結合する十字形の溝24のような電磁転送手段を備え
る。空胴12a 、12b の共振周波数は異なるため、結合絞
りによって導波管共振器は空胴12a 、12b の長さと大き
さによって決定される２つの選択された共振周波数を示
す。
２以上の空胴を使用する空胴共振器は既知である。この
様な共振器はハウジング内部を所望の数の適切な大きさ
の空胴に効果的に分割する適切な数の結合絞りを使用す
る。
図示されたハウジング10は複数のオープンエンド管状フ
ランジハウジング部分より構成される。各絞り22は隣接
するハウジング部分のフランジの間で結合される。一対
の閉鎖部材は、通常共振器の２つの端空胴の端を規定す
るために装置の両端でフランジに結合される。
第１図の共振器は、電磁エネルギーを共振器に結合する
手段14と、電磁エネルギーを共振器から結合して取出す
手段16と、および共振器の共振周波数を手動式に微同調
する同調ねじ18とを具備する。結合手段16と同調ねじ1
8、および共振器におけるそれらの位置は当業者には既
知であり、簡略化するために以下では説明しない。
各空胴に関係する共振周波数は空胴の大きさの関数であ
るため、温度の上昇によって空胴の大きさが変化し、そ
れ故、空胴に関係する共振周波数が温度によって変化す
る。特に、温度が上昇すると、導波管本体10の熱膨脹に
よって軸方向と横の両方に空胴を拡大する。
共振周波数は軸方向に空胴の長さが減少すると共に増加
し、横方向の大きさの増加と共に増加する。典型的空胴
は横の大きさより大きい軸の大きさを有するため、熱に
よる軸方向の大きさの変化は横方向の変化より大きい。
実際には温度の上昇によって空胴と関係する共振周波数
が低下する。
従って、第１図の共振器は、空胴12a 内の温度補償構造
26を具備する。構造26は一般に円板形であり、使用でき
る端フランジにボルトで締めることによってまたははん
だのような手段によってハウジングにその外周で取付け
られる。以下で説明されるように、構造26は導波管空胴
の温度による大きさの変化によって生じた共振周波数変
化を最小にするために温度によっての大きさが変化する
ように構成される。“構成とは、補償構造の構成および
／または形状が所望の効果を有するように適用されるこ
とである。
第１図の装置では、共振器はアンバスチールの本体を具
備する。補償構造26は０．５mmの厚さの銅の２１．６mm
のディスクとして形成される。ディスクの中心は１．２
７mmだけ端壁の内部から湾曲しており、外周28で導波管
本体に結合される。導波管の空胴12a は６３．５mmの直
径を有する。構造26の大きさは温度の上昇と共に空胴12
a の内方に次第に湾曲し、温度上昇と共に空胴12a を効
果的に変化させ、空胴の大きさを効果的に変化させ、そ
うでなければ生じる共振周波数の温度による変化を一般
に相殺する。構造26を形成するために使用される材料は
導波管本体を形成する材料より高い温度係数を有し、湾
曲に対する抵抗を最小に押えるように溝が形成されてい
る。
温度補償構造は本体10の端壁に位置する必要はない。例
えば、結合絞り22に１つまたは両方の空胴12a 、12b に
対する温度補償構造を設けてもよい。本発明によって構
成された熱的に補償する絞り装置の断面を概要的に示す
第３図に関して説明する。装置は、共振器の隣接する空
胴間の電磁エネルギーを結合する直角に配置された１対
の溝24を有する絞り22を具備する。絞りは一般に軸方向
に湾曲した構造を有する一般に環状温度補償構造36、38
の対の間に介在する。構造36、38は各外周36a 、38a お
よび各内周36b 、38b で結合絞りに取付けられる。
結合絞り22が本体10（第１図）のような導波管本体内に
配置される場合、温度補償構造36、38は温度が上昇する
と共に空胴12b 、12a にそれぞれ次第に突き出る。各構
造は外側と内側周囲付近で絞りに取付けられるため、温
度によって材料の大きさが変化し、構造は一般に構造の
軸方向に次第に湾曲する。
動作中、空胴が熱にって膨脹すると前記空胴と関係する
共振周波数が低くなる。しかしながら、構造36、38の予
め形成された湾曲は絞りから外方向に曲がるため、温度
が上昇すると空胴の長さを効果的に短くし、そうでなけ
れば生じる周波数シフトが実質的に相殺される。当然、
温度が低くなると、逆のことが生じる。空胴は収縮する
が、温度補償構造の湾曲が平らになり空胴を効果的に伸
ばし共振器の大きさの変化を補償する。
構造36、38は０．５mmの厚さの銅から形成され、６３．
５mmの直径を有する空胴内で使用されるアンバスチール
絞りに取付けられる。構造36、38のＩ．Ｄ．は１５mmで
あり、湾曲部の頂部は絞り表面から０．６３５mmであ
り、溝24の幅は１．５７mmである。
４セクションのモード共振器は前記大きさのアンバハウ
ジングで構成された。共振器は３．９６ＧＨｚの共振周
波数を有し、１００゜Ｆの温度変化を受けた。第３図の
前記絞りを標準的な結合絞りの代りに使用すると、共振
周波数の温度による変化は実質的に０．６ＭＨｚから
０．１５ＭＨｚに減少した。
前述のように、温度による周波数変化を最小限度に押え
るために、共振器はアンバスチールのような低い熱膨脹
係数を有する材料から典型的に構成された。しかしなが
ら、この様な材料は熱伝導性が低く、冷却手段が設けら
れない限り、熱を容易に放散する能力がないため、高電
力の人工衛星の温度で実際に融解する。冷却手段の重量
と大きさおよび関係するエネルギー源が追加されること
は非常に望ましくない。
従って、共振器は通常アルミニウムのような軽量で熱伝
導性の高い材料である本体10′から構成されるとよい。
アルミニウムは熱伝導性が高く、またアンバのような低
膨脹材料より比較的容易に熱を放散できるが、膨脹係数
が比較的高いために人工衛星の導波管材料として使用で
きるとは考えられていなかった。
衛星内の周囲温度サイクルは１００゜Ｆを越し、アルミ
ニウム導波管共振器は±１０゜Ｆ以上の温度変化に耐え
て可能な許容範囲内の共振周波数変化を維持することは
できない。
第２図は、本発明によって構成されアルミニウムのよう
なアンバスチールより比較的高い温度係数を有する材料
から形成された導波管本体を使用するのに特に適してい
る共振器の別の実施例を示す。空胴の温度による比較的
大きな大きさの変化を相殺するために、温度補償構造ま
たは素子は本質的に複数のバイメタルフィンガー状カン
チレバー30′から形成された。実際に、２対の対向する
カンチレバーを使用した。図示された対および第２の対
向する対は図示された対から共振器軸を中心に９０゜オ
フセットする。
カンチレバー30′は導波管本体10′に対して外周32a で
取付けられ、半径方向に内側に延在し、空胴12a ′の実
効的端壁を形成する。カンチレバー30′間の間隔はマイ
クロ波エネルギーの波長よりずっと小さく、構造の表面
はエネルギーに対して実効的にギャップがない。構造は
空胴12a ′と面するアンバのような比較的低い温度係数
材料の第１の層32′を具備する。層32′はしんちゅうの
ような比較的高い温度係数の材料の第２の層34′に物理
的に結合される。
空胴12a ′内の温度が上昇すると、層34′を形成する材
料は層32′を形成する材料より大きく膨脹し、カンチレ
バー30′は一般に軸方向に空胴12a ′中に次第に湾曲す
る。
実際に、バイメタルカンチレバー30′を使用することに
よって、第１図に関して説明された温度補償構造26のタ
イプより大きい温度補償のための移動が得られ、導波管
本体が比較的高い温度係数を示すアルミニウムのような
材料から形成される時に構造26より好ましい。当然、
“バイメタル”とは、層32′と層34′を金属から形成す
る必要があるということではない。任意の適切な材料が
使用できる。
第２図に示された温度補償構造は絞り装置で使用するよ
うに適用されすることもできる。第４図では、絞り22の
対向する面と結合されたバイメタル補償素子または構造
40を具備する熱的補償絞り装置の断面が示される。絞り
22はアルミニウムのような比較的高い温度係数の材料か
ら形成される。
各補償素子40は、周囲に配置され、隣接した溝43によっ
て分離された内側に放射状に延びる４つのカンチレバー
41を具備する。溝によってカンチレバーの軸方向移動が
可能となるが、溝はエネルギー波長と比較して、エネル
ギーに対して実質的に無視できるほど狭い。
各カンチレバー素子40は好ましくは絞り材料より低い温
度係数を有する材料から形成された第１の層42を具備す
る。第１の層42は通常アンバスチールから形成され隣接
する空胴と面するカンチレバーの面を形成する。比較的
高い温度係数材料の第２の層44は第１の層42に第２の層
を堆積させることによって第１の層42に物理的に結合さ
れる。層44は絞り材料と導波管本体の両方より高い温度
係数を有するしんちゅうのような材料である。
各構造40は第２図に示された温度補償構造30と同様に動
作することを理解されたい。特に、温度の上昇によっ
て、層44は層42より大きく膨脹し、それによってカンチ
レバー41は絞り22から離れ、一般に軸方向に移動し空胴
の長さを効果的に減少させる。
実際に、構造40は６３．５mmの直径の空胴で使用される
ように構成された。カンチレバー41は放射状内部端が１
２．７mmの幅を有し、端は１５．２５mmだけ絞り22の面
から軸方向に離れている。各カンチレバー41の放射状内
部端は対向するカンチレバーの放射状内部端から２１mm
だけ離れている。隣接したカンチレバー間の溝43の幅は
６．３５mmである。
アルミニウムのハウジングと６３．５mmの直径の空胴を
有する４セクションのモード共振器は４ＧＨｚの共振周
波数を有し１００゜Ｆの温度変化を受けた。第４図の実
施例と前記大きさによって構成された絞りを標準的結合
絞りの代りに使用する場合、温度による共振周波数の変
化は２．９ＭＨｚから０．３ＭＨｚに減少した。
空胴端壁に温度補償構造を配置することに加え、温度補
償構造は空胴の側壁にも設けられてもよい。しかしなが
ら、共振周波数シフトは空胴の横方向の大きさと比例す
るため、温度補償構造は温度上昇と共に空胴の大きさを
効果的に増加しなければならない。従って、第５図は、
温度補償構造が空胴の側壁に配置される共振器の部分的
断面を概要的に示す。構造46は金属から形成され通常ハ
ウジングと同じ金属であると都合がよい。構造46は空胴
12の側壁50に取付けられた予め湾曲しているバイメタル
素子48の末端56に位置される。構造46は、電磁エネルギ
ーの大きさが最大値近く、すなわち端壁からほぼＫλ／
２の距離に位置されることが好ましい。ここでＫは整数
である。予め湾曲したバイメタル素子はアンバのような
比較的低い温度係数を有する材料の第１の層52と真鍮の
ような比較的大きい温度係数を有する材料の第２の層54
とによって構成されている。
温度が上昇すると、材料54は材料52より大きい率で膨脹
し、それによって素子48の末端56は共振器空胴の中心軸
20から一般に横に離れ、空胴の側壁50方に横に外側に素
子46を引く。軸から離れた側壁50方の素子46が横に移動
すると空胴12の直径を増加し、それによって共振周波数
の温度による変化を実質的にオフセットする。
実効的変化可能な直径を有する同調ねじを設けることに
よって空胴の温度による大きさの変化を補償することが
できる。同調ねじの実効的直径が減少すると、空胴の共
振周波数は金属によって形式的に占められた空間の電磁
界の密度の減少によって増加する。
従って、本発明は、１形態において、温度による共振周
波数の変化を効果的に相殺するのに必要な程度に同調ね
じの実効的直径を変化させる温度反応手段を備える同調
ねじを有する共振器を具備する。第６図には、ねじ近端
65と、周囲的に配置されバイメタリックの複数のカンチ
レバー状素子62、64、66を具備する末端67とを具備する
ねじ60が概略的に示される。カンチレバー素子62、64、
66は側壁から空胴中に延在するように同調ねじのねじ端
に近い端部68で接続される。各カンチレバー素子はアン
バスチールのような低い温度係数の材料の内部層としん
ちゅうのような比較的高い温度係数の材料の外部層とを
備える。カンチレバー素子62、64、66は周囲が湾曲し、
溝によって互いに間隔を置いており、素子の湾曲がしん
ちゅうの比較的大きい膨脹によって鋭くなる。溝によっ
て与えられた柔軟性と結合して鋭くなった湾曲によって
素子はねじの中心軸方向に内方に湾曲し、ねじの直径を
効果的に減少させる。直径が小さいと空胴の共振周波数
が増加するため、空胴の大きさの変化によって生じた温
度による共振周波数の温度による減少は実質的に相殺さ
れる。
実際に、素子間を分離する溝の幅はほぼ０．７５mmであ
り、共振電磁エネルギーのほぼ２５mm波長よりかなり小
さい大きさである。実際に示すために、カンチレバー構
造はエネルギーに対する変化可能な断面の実際の形とし
て示される。
以上本発明を本発明が適用される好ましい方法の例によ
って説明した。本発明は請求の範囲に記載された技術的
範囲から離れることなく多くの修正と変更が可能である
ことが当業者には理解されるであろう。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】１以上の選択された共振周波数の電磁波を
    維持するような大きさの空胴を有する導波管本体と、 共振器と外部との間の電磁エネルギー結合手段と、 空胴の共振周波数を調節する１以上の同調ねじと、 導波管本体の空胴の温度による大きさの変化によって生
    じる共振周波数の変化を実質的に最小限度に抑制するた
    めに温度の変化により大きさの変化が生じるように構成
    されて空胴内に設けられた温度補償構造および温度の変
    化により１以上の同調ねじの実効的直径を変化させる温
    度反応補償装置を具備していることを特徴とする空胴共
    振器。
  2. 【請求項２】導波管本体の空胴は、中心軸の周囲に配置
    された側壁と、中心軸の軸方向に間隔を隔てて配置され
    た一対の端壁部材によって規定され、前記温度補償構造
    は前記端壁部材の少なくとも一部分を形成し、前記温度
    補償構造は共振周波数の温度による変化を実質的に相殺
    するように温度の上昇と共に端部が空胴中に次第に突出
    し、温度の低下と共に空胴中への突出程度が減少する構
    造である請求の範囲第１項記載の共振器。
  3. 【請求項３】前記補償構造は空胴の端壁の周辺部分に結
    合され、空胴中に軸方向に湾曲する中央領域を備えてい
    る請求の範囲第２項記載の共振器。
  4. 【請求項４】前記温度補償構造は端壁に結合されたバイ
    メタルカンチレバー状素子を具備している請求の範囲第
    ２項記載の共振器。
  5. 【請求項５】温度補償構造はほぼ環状に配置された複数
    のカンチレバー構造を具備し、それらカンチレバー構造
    の端部は端壁の周縁部付近に取付けられている請求の範
    囲第４項記載の共振器。
  6. 【請求項６】前記バイメタルカンチレバー素子は、ベー
    ス部分と、それにより支持され、ベース部分より高い熱
    膨脹係数を有する材料の層とによって構成され、前記層
    はバイメタル素子が温度の上昇と共に徐々に空胴中に湾
    曲するように空胴内部とは反対側のベース部分表面上に
    付着されている請求の範囲第４項記載の共振器。
  7. 【請求項７】１以上の選択された共振周波数の電磁波を
    維持するような大きさの空胴を有する導波管本体と、 共振器と外部との間の電磁エネルギー結合手段と、 導波管本体の空胴の温度による大きさの変化によって生
    じる共振周波数の変化を実質的に最小限度に抑制するた
    めの空胴内に設けられた温度補償構造とを具備し、 前記温度補償構造が空胴の中心軸の周囲の側壁に結合さ
    れ、共振周波数の温度による変化を実質的に最小に抑制
    するために温度の上昇と共に空胴内の突出程度が減少
    し、温度の低下と共に次第に空胴に突出する構造である
    ことを特徴とする空胴共振器。
  8. 【請求項８】温度補償構造は末端付近の部分がほぼ空胴
    の中心軸方向に延在し、前記側壁に結合された他方の端
    部付近の部分がほぼ前記中心軸を横切る方向に延在する
    バイメタル構造であり、空胴内の温度変化に応じてほぼ
    横方向に移動するように末端部分で支持された電磁的導
    電材料の部材を具備している請求の範囲第７項記載の共
    振器。
  9. 【請求項９】１以上の選択された共振周波数の電磁波を
    維持するような大きさの空胴を有する導波管本体と、 共振器と外部との間の電磁エネルギー結合手段と、 温度の変化による導波管本体の空胴の大きさの変化によ
    って生じる共振周波数の変化を実質的に最小に抑制する
    ために温度の変化により大きさの変化を生じるように構
    成された空胴内の温度補償構造とを備え、 導波管本体の空胴は、熱伝導性の比較的高い材料から形
    成され、中心軸の周囲に配置された側壁と、中心軸の方
    向に間隔を隔てて配置された一対の結合絞り、または結
    合絞りと端壁部材とによって規定されており、 温度補償構造は前記結合絞りまたは端壁部材の少なくと
    も一部分を形成し、温度変化による共振周波数の変化を
    実質的に相殺するように温度の上昇と共に端部が空胴中
    に次第に突出し、また温度の低下と共に空胴内の突出程
    度が次第に減少する構造を具備していることを特徴とす
    る空胴共振器。
  10. 【請求項１０】温度補償構造は端壁部材に結合されたバ
    イメタルカンチレバー状素子を具備している請求の範囲
    第９項記載の共振器。
  11. 【請求項１１】温度補償構造はほぼ環状に配置された複
    数のカンチレバー構造を備え、端壁部材の周縁部付近に
    取付けられている請求の範囲第１０項記載の共振器。
  12. 【請求項１２】前記バイメタルカンチレバー素子は、ベ
    ース部分と、それにより支持され、ベース部分より高い
    熱膨脹係数を有する材料の層とによって構成され、前記
    層はバイメタル素子が温度の上昇と共に徐々に空胴中に
    湾曲するように空胴内部とは反対側のベース部分表面上
    に付着されている請求の範囲第１１項記載の共振器。
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