NO812319L - Mikroboelge-kaviteter. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører temperaturstabiliserte mikrobølgehulromsresonatorer som ikke krever hermetisk til-lukking og som er lette å frekvensregulere.

Det er kjent at moderne oscillatorer og filtre omfatter mange slags mikrobølgehulrom, som er omsluttet av en metallvegg og fylt med gass. De viktigste av disse er følgende: 1. TEM-modus koaksialt hulrom 2. TE^Q-modus ledebølgehulrom

3. TE]_-L-modus sirkulært ledebølgehulrom

4. TEqi-modus sirkulært ledebølgehulrom

Det er også kjent at det største problemet som skal løses, er hulromsresonansfrekvensstabiliseringen ved en variasjon av ytre betingelser (temperatur og fuktighet) når som helst det skal oppnås en høy frekvensstabilitet av størrelsesorden 1 miliondel/°C. I realiteten finnes det vanligvis tre grunnleggende faktorer som påvirker resonansfrekvensen for et hulrom, nemlig: 1. Ekspansjon forårsaket av økt temperatur for metallet i hulromsresonatoren; 2. Dielektrisitetskonstanten for gassen som fyller hulrommet; 3. Belastningsimpedansen ved de porter og tilkoblinger son forbinder hulromsresonatoren med de ytre strømkretsene.

Når det gjelder faktor 3, kan belastningseffekten neglisjeres ved å redusere koblingsgraden på en korrekt måte mellom belastningen og, når dette er nødvendig, ved å innføre en isolator mellom hulromsresonatoren og belastningen .

Vedrørende faktor 1 må det påpekes at det for framstilling av en hulromsresonator anvendes et metall med lav utvidelseskoeffisient kontra temperatur, d.v.s. "Invar" og "Super Invar" med en utvidelseskoeffisient som er mindre enn eller like med ^ <j ) 1,5 milliondel/°C, henholdsvis 0,7 milliondeler/°C.

Dessuten blir det foretatt en særlig varmebehand-ling for stabilisering av disse materialer før og etter be-arbeidelsen. På denne måten bibeholder også sluttproduktet de angitte verdier for utvidelseskoeffisienten.

Med hensyn til faktor 2 er det til slutt nødvendig

å lukke hulrommet hermetisk ( det må være fuktighets- og gassikkert) før fylling med en tørr, inert gass (eksempelvis nitrogen) for å eliminere trykkforskjellen med hensyn på det ytre miljø. Denne løsning er særlig risikabel, ettersom all lodding av denflerhet av deler, som danner hulromsresonatoren, foruten koblings- og innstillingsorga-ner, må tettes. I denne sammenheng er det i italiensk patentsøknad nr. 264 91 A/79 beskrevet hulromsresonatorer, som ikke krever gassfylling, ettersom metallveggen i hulromsresonatoren er forsynt med en sylinder av kvarts.

I italiensk patentsøknad nr. 26490 A/79 beskrives hulromsresonatorer , som har en indre del med mindre tykkelse ut-ført av edelmetallegering ("Invar"), mens deres ytre del er tykkere og er utført av en mindre edel legering.

Under den fortsatte forskning har det gjennom oppfinnelsen lykkets ikke bare å eliminere fyllingen av hulrommet med inert gass, mens også å undertrykke bruken av hulromslegemer med vegger av mer eller mindre edle legeringer.

De nye hulromsresonatorer ifølge oppfinnelsen har ikke lenger et legeme med en metallvegg av mer eller mindre edle

■legeringer, men har istedenfor et legeme av ren, amorf kvarts som er metallisert på ytterflaten med unntak av små områder, som benyttes for koblingsformål.

Da det metalliserte, amorfe kvartslegemet ifølge oppfinnelsen kan gis en riktig form og størrelse, er det mulig å oppnå temperaturstabiliserte hulromsresonatorer med en fin innstilling av resonansfrekvensen og som er særlig egnet for stabile mikrobølgekilder gjennom kobling til en passende, aktiv krets.

Hulromsresonatorene ifølge oppfinnelsen kan erstatte samtlige mikrobølgehulromsresonatorer med en metallflate, nemlig:

- TEM- bølgetype koaksial hulromsresonator med

- TEjo-^bølgetype rektangulær ledebølge-hulromsresonator',

- TEqiq, TEm°9TE011~kØlgetYPe sirkulær ledebølge-hulromsresonatorer.

Med hensyn på de tradisjonelle hulromsresonatorer, især slike som inneholder legeringer med meget lav varmekoeffisient, angis følgende blant de fordeler som hulromsresonatorer ifølge oppfinnelsen oppviser: - mer kostnadsbesparende på grunn av en drastisk forenkling av konstruksjonsfåsene, ettersom det ikke benyttes "vanskelige" legeringer, såsom "Invar" og "SuperInvar", hvilket betyr besparelser i materiale .-og bearbeidelseskostnader. Denne nye framgangsmåten gjør oppfinnelsen mer konkuransedyktig også sammenlignet med forannevnte italienske patentsøknader. En annen fordel er kostnadsbesparelsen som følge av elimineringen av den hermetiske tillukkingen av hu.lroms-I resonatoren. Også i denne henseende medfører oppfinnelsen en drastisk forbedring av kvaliteten for hulromsresonansen ifølge nevnte patentsøknad, d.v.s. 1. den forbedrer i vesentlig grad lukkingen eller for-seglingen av hulrommene; 2. den tillater oppnåelse av hulromsresonatorer som er formet som sylindre, rektangler og av TEM- type, mens hulromsresonatorene ifølge nevnte patentsøknad bare kan anvendes i overensstemmelse med TEg]_]_- modus eller i overensstemmelse med bølgetyper, hvor det eksistere: et neglisjerbart elektrisk felt E (også i deres kvar - dratiske form) i nærheten av de metallflater som av-grenser selve hulrommet. 3. Reduksjon av vekt og størrelse, noe som medfører større anvendelsesfleksibilitet og skaper nye og betydelige muligheter^, eksempelvis ved utviklingen av oscillatorer med fast frekvens direkte ved mikrobølger, slik at vansker i forbindelse med komponenter og reserve-deler, som vanligvis er nødvendige ved tradisjonelle løsninger, blir eliminert.

De atskillige aspekter og fordeler med oppfinnelsen framgår tydeligere av etterfølgende beskrivelse av utførelsesformer, som vises på medfølgende tegninger, hvor fig. 1 er et forenklet prosesskjema,,fig. 2, 2A, 3A, og 3B viser skjematiske penspektivriss, fig. 3A', 3B', 4, 4A og5 viser ekvivalentkretser, og fig. 6 viser et skjematisk planriss, sett ovenfra og delvis i tverrsnitt, av en spesielleutførelsesform .

Fig. 1 er et forenklet riss av hulromsresonansene ifølge oppfinnelsen.

Fase 1: En kvartsstav kappes til små kvartssylindre QU, som oppviser de nødvendige dimensjoner ( diameter og lengde).

Fase 2: Metalliseringen.

Ytter flaten på kvartssylinderen QU dekkes med et tynt metallsjikt ME ( fortrinnsvis med en tykkelse av størrelsesorden mikron)eksempelsvis ved neddypping i et kobberbad eller i et annet ledende metallbad.

Fase 3: Kvartssylinderen QU, som således er blitt dekket med et tynt metallsjikt, forsynes med et annet sjikt I INS ( et såkalt fortykkelsessjikt) av et metall, som enten er det samme som i metallsjiktet ME eller som avviker fra dette. Fortykkelsessjiktet INS blir foretrukket i en tykkelse av størrelsesorden 0,1 mm, og det bør påføres ved hjelp av et galvanisk bad. Det påpekes at sjiktene ME (fase 2) og INS (fase 3) også kan påføres på en annen måte, eksempelvis gjennom å børste disse med ledende farger (kobber, sølv eller liknende) eller gjennom børsting fulgt av et galvanisk bad. I alle tilfeller må det oppnås føl-gende egenskaper: Kvartskvalitet: Anvendelse av ren, amorf kvarts, fortrinnsvis av opptisk kvalitet, oppnådd på basis av rektiviserte og bearbeidete stenger. Metallisering: Denne utføres for å danne en metallflate med høy ledeevne omkring kvartsen og som er tett forbundet med kvartsflaten, for på denne måten å hindre at luft eller annen gass lagres på innsiden av hulromsressonatoren.

( d.v.s. kvartsvolumet på innsiden av metallflaten).

Det første metallsjiktet, som skal sikre en høy elektrisk ledeevne og en tykkelse, som kan oppta den totale

elektriske strøm, som er knyttet til det resonante elektro| magnetiske feltet, overføres ved hjelp av ledende materiale INS, fortrinnsvis ved hjelp av en galvanisk prosess for å øke den mekaniske styrken. Dette letter merkaniske og

elektriske tilkoblinger til den virksomme anordningen elle:: til de koblingsanordninger, som hulromsresonatorene må til-føre de nødvendige elektriske egenskaperne til.

Fig. 2, 3A og 3B ( som er skjematiske riss, delriss, henholdsvis sprengriss) viser tre slags koblinger mellom

hulromsresonatorene-pM. ifølge*',oppfinnelsen og mikrostrimle i MST. I fig. 2 angir "L" transmisjonlinjen med sin dielek-triske bærer, mens FCC er det element som sikrer aggregat-ets elektriske kontinuitet, CAL er et aluminiumslegeme bestående av en plate CAl', som bærer en bærer CAL"<*>

( i en stillign vinkelrett på CAL<*>), og en pinne CIN , som også står vinkelrett på CAL'. En metalliserte og armerte hulromsresonatoren! CM ifølge oppfinnelsen er sylinderformet og forsynt med et hull 10 i midten samt utformet for å oppta og holde en mutter 11 på den gjengete pinnen CIN.

CM er en h/ 2 koaksial hulromsresonator med et hull Fgo,

som opptar en sonde 50 for h/ 2- hulromsresonatorens til-kobling til mikrostrimlen MST. Pinnen CIN er fortrinnsvis utført i "Invar". Fig. 2A viser et aggregat av de atskillige elementer, mens"'fig. 2 er et sprengriss av de enkelte elementer .

Fig. 3A viser skjematisk mikrostrimmelkoblingen for den sirkulære hulromsresonatoren CM via irisblender IR. Fig. 3A' viser ekvivalentkretsen for nevnte mikro-strimmelkobling til hulromsresonatoren via irisblender CM. Fig. 3B viser det tilfelle hvor den unike mikrostrimmel MST ifølge fig. 2A er erstattet med mikrostrimmel MST<1>med to tilkoblinger 15-15', idet den« ene av disse tilkoblinger kan anvendes for hulromsresonatoren CM i likhet med den som vises i fig. 2A.

Fig. 3B' viser det ekvivalente skjema ifølge fig.

3B med mikrostrimmeltilkoblingene 15-15' forbundet med CM-hulromsresonatorene via irisblender IR gjennom innsetting av hulromsresonatoren CM i dens hule bærer S.

Det framgår tydelig av det foregående at en av de mest fordelaktige egenskapene ved hulromsresonatoren ifølge oppfinnelsen er at de består av hulromsresonatorer med fast frekvens. Ved således å koble disse til en aktiv krets kah de med fordel benyttes for stabile oscillatorer.

For en betydelig kjpstnadsbesparelse ved den mekaniske kvartsprosess oppnås en fininnstilling av frekvensen, og dette gjøres mulig ved hjelp av en svak kobling til et passende nett, som kan bestå av halvledere.

Koblinger til hulromsresonatorene : Selv om det er mulig

å benytte induktive koblinger, har det vist seg at kapasi-tive koblinger eller koblinger av typen elektrisk felt E

er meget fordelaktige, særlig de to alternativene ifølge

fig. 2 og 3A, d.v.s. kapasitiv kobling via en sonde som er satt inn i et hull i kvartsen og klebet med kunstharpiks. Sonden SO ifølge fig. 2 er fortrinnsvis utført i en metal-legering^med lav utvidelse samt overflatebehandlet for å øke ledeevnen. Sonden kan også fås gjennom metallisering. Koblingen kan også skje ved hjelp av en elektrisk feltkob-ling via irisblender IR ( fig. 3A ), som er dannet fra den metalliserte kvartsflaten ved å fjerne metall fra en pass-,i ende flate. Framstilling av oscillatorer, som stabiliseres ved hjelp av hulromsresonatorene ifølge oppfinnelsen, er særlig interessant. Den aktive anordningen, som er koblet til hulromsresonatoren, kan bestå av halvlederelementer, såsom bipolare transistorer, felteeffekttransistorer, dioder av elektronkanontypen o.s.v.

Hulromsresonatorene kan ha ulike former og oppbyggninger, eksempelvis seriekoblet til belastningen, parallellkoblet til belastningen, tilbakekoblet, parallellkoblet til det aktive elementet, etc.

Et vesentlig trekk består i muligheten for å kunne endre oscillatorfrekvensen, helt enkelt ved å erstatte hulromsresonatoren med en annen, som har noe annerledes dimensjoner, mens den aktive kretsen forblir uforandret. For dette formål må det innkobles et nett ved hjelp av en svak hulromskobling tillater en fininnstilling av resonansfrekvensen for selve hulrommet.

Noen eksemplar på stabile oscillatorer, som er fram?-stilt i overensstemmelse med de foran beskrevne framgangs-måter og som er forsynt med hulromsresonatorer ifølge oppfinnelsen, angis i det følgende: 1. Fig. 4 viser en anordning, hvor mikrostrimlen MST består av et aktivt, bipolart element AT. Anordningenjkah innehold 2 er seriekoblet LC-resonanskrets med negativ resistans (-R) og en lav Q-verdi. Via irisblenderen IR tilkobles en sirkuj-lær hulromsresonator ifølge oppfinnelsen til denne anordning og av dimensjoneringshensyn gjøres den virksom i overensstemmelse med TMqio -modus.I

En reaktiv krets er videre svakt koblet via samme, irisblender. Også denne krets er anordnet på en plate av den aktive anordningen (kobling som vist i fig. 3B).

Ekvivalentkretsen kan eksempelvis være av det slag

i som vises i fig. 5, hvor de angitte henvisningsbet-eignelsenei har følgende betydninger:

A = aktiv anordning, B = belastning, C = hulromsresonator,

D = fininnstilling.

DersomQ2»Q1J<f>2 fl| < Kf medK«l og dersom | -R ]< ZQ, gjennom å variere koblingen (n:l) oppnås de oscillerende betingelser ved strimlene MM<1>, d.v.s.

Z //R = I-R IX = -X

o' ' eq 1 1 eq

Anordningens mekaniske oppbyggning vises i fig. 6 og er slik at den oscillerende frekvensen kan endres helt enkelt ved å erstatte hulromsresonatoren. Henvisnings-betegnelsene i fig. 6 har følgende betydning: 1 = aluminiumslegeme eller -rammel 2 = ring, som ved lodding er festet til hulromsresonatoren 4J 3 = staver; 4 = hulromsresonator forsynt med ring 2, ' 5 = skruer;

6 = mikrostrimmel; A = koblingsareal.

Ringen 2 av "Invar"-legering er loddet fast til hulromsresonatoren 4, som interfereres med ramme eller legemet 1 (dette utføres ved hjelp av stavene 3 e.l.) r,. or a „siKre hulromsresonatorens stilling i forhold til koblingshulaks-elen og jordkontinuiteten.

Det er åpenbart at opfinnreisen ikke er begrenset ti] de beskrevne utførelsesformer, men kan underkastes alle de variasjoner som kan anses som fagmessige. Eksempelvis kan den tilpasses i en enkelt fase istedenfor i to eller tre faser.

Claims (11)

1. Mikrobølgehulromsresonator av det slag som er temperat-u^stabilisert, frekvensregulerbare, som ikke fordrer hermetisk lukking og som består av et hult legeme, I

karakterisert ved at legemet er av ren, amorf kvarts og er dekket av minst ett metallsjikt.

2. Hulromsresonator i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at det rektangulære, kvadratiske eller sylindriske legemet er av amorf kvarts av optisk kvalitet.

3. Hulromsresonator i samsvar med patentkrav 1 og 2!, k ar_ak terisert ved at det ytre metallsjiktet består av et første tynt sjikt av et metall med høy ledeevne og et annet fortykkelsessjikt.

4. Hulromsresonator i samsvar med patentkrav 1, 2 og 3, karakterisert ved at metallet er fjernet fra små områder for kobling til ytre kretser.

5. Hulromsresonator i samsvar med patentkrav 4, karakterisert ved at tilkoblingen er av kapasitiv type, især via en sonde i et hull i kvartslegemet.

6. Hulromsresonator i samsvar med patentkrav 4, karakterisert ved at tilkoblingen er av elektrisk felttype, især via hull (irisblender).

7. Hulromsresonator i samsvar med et av de foregående patentkrav, karakterisert ved at den er' koblet til aktive kretser i form av oscillatorer, som stabiliseres ved hjelp av nettopp sammme hulromsresonans-frekvens.

8. Hulromsresonator i samsvar med patentkrav 7, karakterisert ved -at den er seriekoblet til belastningen, parallellkoblet til belastningen, tilbakekoblet eller parallellkoblet til det aktive element.

9. Hulromsresonator i samsvar med patentkrav 7, karakterisert ved at oscillatorens frekvens ved fast frekvens varieres ved å erstatte hulromsresonatoren.

10.F ramgangsmåte for framstilling av hulromsresonatoren ifølge foregående patentkrav, karakterisert ved at en kvartsstav kappes til små staver med de nødvendige dimensjoner, at minst ett første tynt metallsjikt påføres disse små staver, og at et annet fortykk elsessjikt påfø res nevnte første tynne sjikt.

11. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 10, karakterisert ved at det første sjiktet på-føres enten ved hjelp av et ledende metallbad eller gjennom børsting av dette med en metallfarge, med det andre sjiktet påfø res ved hjelp av en galvanisk prosess.