NO152476B - Temperaturstabiliserte og frekvensinnstillbare mikroboelgekaviteter - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører resonanshulrom for mikrobølger og av det slag som er temperaturstabilisert, ikke krever hermetisk tillukking, er lette å innstille med hensyn til frekvenser og som omfatter et hult legeme, en avstemmingsskrue, en plugg, hjelpeanordninger for kobling til dioden og et uttak. Det er i dag kjent mange forskjellige slags mikrobølgehulrom. Blant de utførelser som omfatter en metallisk vegg er følgende de viktigste: 1) TEM-bølgetype koaksialt hulrom; 2) TE^g-bølgetype styrebølgehulrom;

3) TE-^-bølgetype sirkulær styrebølgehulrom

4) TEg^-bølgetype sirkulær styrebølgehulrom.

Disse hulrom er beregnet for å danne mikrobølgekretser, nemlig i stabile oscillatorer, hvor det blir oppnådd en korrekt kobling av hulrommene til den virksomme kretsen som frambringer oscillasjon, slik at oscillatorfrekvensen nesten utelukkende blir fastsatt av hulrommet; og i filtre hvor det blir oppnådd en sammenkobling av et passende antall hulrom til hverandre, særlig en kobling av det første hulrommet til generatoren og den siste til belastningen.

Det største problem, som slike konstruksjoner har til oppgave å løse, består i hulromsresonans-frekvensstabilise-ringen ved en variasjon av ytre betingelser (temperatur og fuktighet) når det skal oppnås en høy frekvensstabilitet av størrelsesorden 1 milliondel/°C.

Det eksisterer i realiteten generelt tre grunnleggende faktorer som påvirker et slikt hulroms resonansfrekvens, nemlig: 1) Utvidelse avhengig av temperaturen i metallet i hulrommet; 2) Dielektrisitetskonstansen for gassen som utfyller hulrommet; 3) Belastningsimpedansen ved portene som kobler hulrommet til utsiden.

Når det gjelder punkt 3, så kan belastningseffekten settes ut av betraktning ved å redusere koblingen mot belastningen på passende måte og, når så er nødvendig, ved å inn-sette en isolator mellom hulrommet og belastningen.

Med hensyn til punkt 1 er det allerede foreslått å framstille legemet for hulrommet av et metall med lav varmeutvidelseskoeffisient, eksempelvis en jern-nikkel-legering, som er kjent under varemerkene "Invar" og "Super Invar", og som har en utvidelseskoeffisient som er mindre enn eller lik 1,5 milliondeler/°C, henholdsvis mindre enn eller lik 0,7 milliondeler/°C.

Det er forøvrig foreslått en spesiell varmebehandling for stabilisering av disse materialer før og etter bearbei-delsen. På denne måten bibeholder også sluttproduktene de angitte utvidelseskoeffisientverdiene.

Med hensyn til punkt 2 er det nødvendig å lukke hulrommet hermetisk (dvs. det må være væske- og gasstett) før det kan fylles med en tørr, inert gass, eksempelvis nitro-gen, slik at trykkforskjellen i forhold til den ytre omgiv-elsen blir eliminert.

Denne løsning er særlig risikabel, ettersom all lod-ding av et betydelig antall deler, som danner hulrommet, likesom koblingsåpninger og avstemmingsjusteringer må tettes.

Et første formål med oppfinnelsen består i å skape et hulrom, som ikke lider av de forannevnte ulemper, men som er temperaturstabilisert ved hjelp av meget enkle og effek-tive midler.

Et annet formål med oppfinnelsen består i å skape et hulrom, som ikke bare er effektivt temperaturstabilisert, men som også lett kan innstilles med hensyn til frekvensen.

Disse og andre formål blir oppnådd ved hjelp av et hulrom som er utformet i samsvar med den karakteriserende delen av patentkrav 1.

Ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen kan den amorfe kvarts fortrinnsvis være kvarts av optisk kvalitet, selv om det med fordel kan benyttes en kvarts av ikke-optisk kvalitet, nemlig for hulrom med frekvenser på mindre enn 2-4 GHz, hvor tapene er lave og følgelig ikke avgjørende.

Da hulrommene dessuten ved disse frekvenser, som utgjør mindre enn 2-4 GHz, er relativt større, medfører anvendelse av en ikke-optisk kvarts (som er billigere) en vesentlig utgiftsbesparelse, ettersom anvendelsen av billig materiale blir av større betydning jo mer kvarts som trengs.

Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsen er angitt i patentkrav 3 og 4.

De forskjellige utførelsesformene for oppfinnelsen og fordelene med disse framgår bedre av etterfølgende beskrivelse under henvisning til tegningene, som viser foretrukne utførelser, og hvor

Fig. 1 viser et planriss, sett ovenfra, og

fig. 2a er et tverrsnittsriss av hulrommet etter linjen a-a i fig. 2.

Som det framgår av tegningsfigurene består hulrommet av et hult legeme A,en plugg B, en avstemmingsskrue C og sidekoblinger a2-a7.

Hulromslegemet A blir fortrinnsvis framstilt med utgangspunkt i ei jern-nikkellegeringsstang med svært lav utvidelse (dvs. "Invar" eller "Super Invar") ved hjelp av fre-sing og dreiing.

Legemet kan imidlertid også framstilles i to deler, dvs. et første, tynt legeme, som er framstilt av jern-nikkel-legering ("Invar" eller "Super Invar") og danner hulrommets indre del eller hylse, og et ytre legeme, som er framstilt av et mindre edelt metall som for eksempel aluminium og opptar den indre delen (av "Invar" eller "Super Invar").

Uavhengig av hulrommets konstruksjon oppviser legemet A på oversiden fl et gjenget hull al, som den nedre, gjengete delen bl av pluggen B er skrudd inn i.

Legemets forside f4 (fig. 1) er utformet med fire hull a5 samt en spalte a4 for belastningen av den sirkulære åpningen a3, mens det på den motsatte siden av den sirkulære åpningen a3 er anordnet en koblingsåpning for kretsen og GUNN-dioden.

Sideflatene f2 og f3 er utstyrt med ordinære sidekoblinger for uttak og GUNN-diodeinngangen.

Disse koblinger kan være av valgfritt ordinært slag og påvirker ikke på noen som helst måte oppfinnelsens prinsip-pielle sider, og det har derfor ikke blitt ansett som nød-vendig å beskrive den detaljert.

I realiteten blir det ifølge oppfinnelsen foreslått å fylle ut legemets A hule del med en amorf kvarts, som i fig. ,1 er betegned med D. Kvartsen har sylindrisk form og ytterdiameteren svarer stort sett til innerdiameteren for legemets A hull al.

I samsvar med den svært enkle og fordelaktige utførel-sesform, som er vist i fig. 1 og 2, blir sylinderen D framstilt ved å bearbeide kvartsen som en separat blokk og inn-føres under lavt trykk i det metalliske hulrommet. Innfør-ingen av kvartssylinderen skjer således på en slik måte at områder, hvor det er sannsynlig at luftlekkasjer kan opptre, reduseres til et minimum.

Egenskapene hos amorf kvarts er kjent (jfr. eksempelvis teknisk brosjyre fra Electro Quartz).

Blant disse egenskaper er de vesentligste knyttet til utvidelseskoeffisienten, som er mindre enn 1 milliondel/°C, dvs. nesten den samme som for nevnte jern-nikkel-legering ("Invar"), og til tapsfaktoren, som er svært god opp til 13 GHz og akseptabel for anvendelser opp til over 20 GHz.

Ifølge de foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen blir den amorfe kvartsen D formet som en plan stav som er uten luftblærer og ekstremt kompakt.

Den særskilte staven eller stanga, som er formet på forhånd, har ikke bare den fordel at den er fri for luftblærer (som ellers skulle kunne opptre dersom det ble inn-ført støpt kvarts i hulrommet al i legemet A), men elimine-rer også eventuelt gjenværende luftlekkasjer i hulrommet al, ettersom den blir presset inn i hulrommet al og således fastspennes på innsiden av legemet A.

Stanga D blir fortrinnsvis framstilt med utgangspunkt i runde stenger eller staver av ordinær, gjennomsiktig kvarts, som sannsynligvis oppviser lagdelt struktur som føl-ge av luftblærer. Disse staver blir derfor rektifisert ved hjelp av ei diamantslipeskive, slik at ytterdiameteren til slutt faller praktisk talt sammen med hulrommets inner-diameter.

Deretter kappes den rektifiserte stanga eller staven opp i små sylindre med korrekt høyde. Også sylindrene blir rektifisert samt pusset ved hjelp av ei diamantslipeskive inntil de har oppnådd den nødvendige høyden.

Avstemmingsskruen C er utført i to deler: Den gjengete delen Cl for skruens innføring i den fullstendig gjengete holderen (under bl i fig. 1) for pluggen B og, likesom selve pluggen B er den framstilt av nevnte jern-nikkel-legering ("Invar"), idet den andre delen C2 er framstilt av aluminium eller et annet materiale som har høyere utvidelseskoeffisient enn nevnte legering ("Invar") og virker som en kompensator for resonansfrekvensen kontra temperatur.

Diameteren for delen C2 er større enn diameteren for skruedelen Cl, men førstnevnte blir avsluttet med ei bredere skive C'2 som er koblet til den frie oversiden av kvartssylinderen D (fig. 2).

Til slutt blokkerer mutteren C3 avstemmingsskruen C på pluggen B, som ved sin vridning låses til legemet A med sin ytre, gjengete del bl. Hylsa b5, som er framstilt av absorberende materiale, demper eventuelle falske resonanser fra hulrommet.

En meget viktig fordel med oppfinnelsen består i mu-ligheten for enkel variasjon av resonansfrekvensområdet for hulrommet, nemlig ved å skifte ut en kvartssylinder med en viss høyde med en ny sylinder med en avvikende høyde (dette endrer hulromsvolumet), og som et resultat av dette å er-statte den opprinnelige avstemmingsskruen med en skrue som er forenlig med den nye sylinderens høyde.

Det har i virkeligheten vist seg at frekvensområdet hovedsakelig velges i avhengighet av høyden H på kvartssylinderen D (med samme diameter) og i avhengighet av avstemmingsskruen C, særlig diameteren for skiva C'2, diameteren for den gjengete delen Cl og den totale høyden på skruen C. Frekvensområdet kan også gjøres avhengig av de mer vesent-lige størrelsene av pluggen B og absorbatoren b5.

Ved å gjøre frekvensområdet avhengig av kvartssylin-derens høyde og av størrelsene for avstemmingsskruen C oppnås det den fordel at det med ett eneste hulrom er tilstrek-kelig å endre kvartssylinderen og skruen for å variere frekvensområdet. På denne måten er det med en kvartssylinder med fast diameter, eksempelvis 15 mm, men med fire forskjellige høyder mulig å gå over fra området 127 000 - 12 850 GHz til andre områder som for eksempel 12 850 - 13000, 13 000-13 150 og 13 150 - 13 300 GHz, idet kompensatorstaven også blir skiftet hver gang.

Resonansfrekvensstabiliteten for hulrom ifølge oppfinnelsen utgjør + 40 milliondeler fra 0-45°C.

Blant de grunnleggende fordeler med oppfinnelsen kan følgende nevnes: a) Det kreves ikke lenger at hulrommet lukkes hermetisk, ettersom den luft, som innesluttes, blir redusert til en

neglisjerbar mengde, mens støpt kvarts ikke ér lufttett.

b) Avstemmingsskruen er ikke lenger tettet, og den er således normalt tilgjengelig under hulromsoperasjonen. På

denne måten er det mulig periodisk å gjenvinne den langvarige hulromsfrekvensavvikelsen. Dette var praktisk talt umulig med hermetisk lukkete hulrom.

c) Dimensjonene for et metallisk hulrom som er fylt med kvarts blir halvert i forhold til et hulrom som er fylt med

gass. Dette medfører materialbesparelse og mindre størrel-ser .

Disse grunnleggende fordeler medfører på sin side tilleggsfordeler, som er angitt nedenfor: d) Drastisk utgiftsbesparelse ettersom tetningsoperasjonen bortfaller og det kreves en mindre mengde jern-nikkel-legering ("Invar"). e) Hulheten får økt levetid, ettersom selv de minste tet-ningstap er eliminert, mens det kan gjenvinnes langvarige hulromsavvikelser ved innstilling av avstemmingsskruen, hvis felttilgjengelighet nå er mulig. f) Mindre antall reservedeler for hulromoscillatorer, ettersom ett enkelt hulrom kan avstemmes på feltet innenfor et bestemt underområde, mens hermetisk lukkete hulrom fordret like mange hulromsoscillatorer som antall kanalfrekvenser. g) Virksomme elementer i hulrommet kan erstattes direkte uten behov for å gjenta hulrommets innjusteringssyklus, slik tilfellet var med hermetisk lukkete hulrom. Dersom eksempelvis dioden brenner, kan den erstattes ved å skifte ut diodeholderen, men hulrommet ifølge oppfinnelsen blir hver-ken erstattet eller utsatt for lange tetnings- og stabili-ser ings operas joner . h) Som nevnt i det foregående medfører bruk av en kvartssylinder ifølge oppfinnelsen også en fordelaktig konstruksjon av hulromslegemet A ved sammenføyning av to dellegemer (ikke vist, men temmelig innlysende), nemlig et indre legeme, som er framstilt av en edel legering med meget lav varmeutvidelseskoeffisient ("Invar" eller "Super Invar") i form av et skall eller en kassett, som danner hulromslege-mets indre del og således avgrenser det indre kritiske rom, og et ytre legeme av mindre edelt metall, f.eks. aluminium, og som innvendig opptar det indre legeme. Sistnevnte har mindre tykkelse (skall) i forhold til det ytre legemets ho-vedtykkelse, Det ytre legemet tar opp samtlige mekaniske spenninger og vernes således det tynne, innvendige legeme, som er presset inn i det ytre under trykk. Medfølgende be-sparelser med hensyn til edel legering ("Invar") blir i hvert enkelt tilfelle oppnådd på grunn av den reduksjon av luftmengden inne i det indre legemet som forårsakes av til-stedeværelsen av kvartssylinderen ifølge oppfinnelsen.

Konstruksjonen av legemet A i form av en tynn, indre del av edel legering og en tykk, ytre bæredel av mindre edelt metall (aluminium) er nå mulig, fordi det har vist seg at 1) det ytre aluminiumslegemet, som innvendig opptar den indre delen av jern-nikkel-legering ("Invar"), ved lave temperaturer ikke kan deformere den indre delen vesentlig, og at 2) utvidelse av den indre delen ved høye temperaturer ikke blir hindret av den ytre aluminiumsdelen, ettersom sistnevnte har høyere varmeutvidelseskoeffisient.

Claims (4)

1. Mikrobølgehulrom som er temperaturstabilisert og frekvensinnstillbart, for høyfrekvens-oscillatorer, omfatt-ende et metallegeme med et sylinderformet hulrom med en forutbestemt diameter, en avstemmingsskrue, en plugg og koblingsorganer for en diode og et uttak, karakterisert ved at hulrommet inneholder en inn-presset, forutlaget, massiv sylinder (D) av amorf kvarts, med en utvendig diameter som er stort sett lik hulrommets innvendige diameter, at avstemmingsskruen (C) strekker seg utettet og tilgjengelig fra utsiden inn i hulrommet og ender i dette med en skiveformet del (C2) som vender mot den øvre fri endeflate på kvartssylinderen, idet frekvensområdet varieres ved å sette inn i hulrommet kvartssylindre med forskjellig høyde og tilsvarende avstemmingsskruer.

2. Mikrobølgehulrom i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den amorfe kvartsen er av optisk kvalitet.

3. Mikrobølgehulrom i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det hule legemet (A) er utformet med en indre, tynn del eller kassett av et materiale med lav termisk ekspansjonskoeffisient (særlig "invar" eller "super invar"), og av et ytre legeme framstilt av et materiale (f.eks. aluminium) med større ekspansjonskoeffisient.

4. Mikrobølgehulrom i samsvar med krav 1, karakterisert ved at avstemmingsskruen (C) omfatter en første gjenget del (Cl) framstilt av ei legering med lav termisk ekspansjonskoeffisient, fortrinnsvis samme legering som legemet (A) og en andre del (C2-C2<1>) framstilt av et materiale med større ekspansjonskoeffisient enn den første, slik at avstemmingsskruen består av deler med en ekspansjonsgradient som virker som en kompensator for resonansfrekvensen i forhold til temperaturen.