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Die Erfindung betrifft Temperatureffekt-Kompensation in
einem Spiralresonator.
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Es ist bekannt, daß der Innenleiter eines Spiralresonators
zu einer zylindrischen Wendel gewickelt ist und daß der
Außenleiter aus einer leitenden Fläche besteht, die die
zylindrische Wendel deckt. Bei der Resonanzfrequenz entsteht
eine TEM-Schwingung entlang der Längsachse des Resonators.
Das Signal tritt am einen Ende in die zylindrische Wendel
ein, und das andere Ende kann entweder offen oder
kurzgeschlossen sein. Wenn das andere Ende offen ist, entspricht
der Spiralresonator einem
Viertelwellenlängen-Koaxialresonator, und wenn das andere Ende kurzgeschlossen ist,
entspricht der Spiralresonator einem
Halbwellen-Koaxialresonator. Durch Einstellen einer geeigneten Einstellschraube in
der Resonatorstruktur kann die Kapazität zwischen der Wendel
und der Abschirmung eingestellt werden, wobei ein
LC-Reihenresonanzkreis gebildet ist. Im allgemeinen sind mehrere
Resonatoren auf solche Weise miteinander verbunden, daß ein
Filter mit gewünschten Eigenschaften zur Verwendung z. B. in
einem Funkempfänger erhalten wird. Dank ihrer relativ
geringen Größe und ihrer Einstellbarkeit sind Spiralresonatoren
in Duplexfiltern hervorragend verwendbar, insbesondere
innerhalb des Frequenzbereichs von 100 - 1000 MHz Die
Temperaturstabilität bildet ein Grundproblem bei
Spiralresonatoren gemäß dem Stand der Technik. Die Sperrband- und
Durchlaßband-Frequenzen eines Duplexfilters dürfen sich z. B.
unter Temperatureinwirkung nicht ändern. Daher sollten die
Spiralresonatoren in einem Duplexfilter
temperaturkompensiert sein, d. h., daß sich ihre Resonanzfrequenz nicht als
Funktion der Temperatur ändern darf. Bei Anwendungen, bei
denen eine große Schwankung der Umgebungstemperatur besteht,
sind wesentliche Abweichungen der Mittenfrequenz eines
Spiralresonators zu erwarten. Ein typisches Beispiel für eine
derartige Anwendung ist ein in Mobiltelefonen verwendetes
Duplexfilter. Im Stand der Technik wird die durch eine
Temperaturänderung hervorgerufene Frequenzabweichung auf
verschiedene Arten kompensiert. Es ist möglich,
Präzisionskomponenten zu verwenden, deren Eigenschaften durch
Temperaturänderungen sehr wenig beeinflußt werden. Jedoch macht die
Verwendung derartiger Komponenten den Resonator sehr teuer.
Ein anderes Verfahren besteht darin, die Resonatoren über
einen so großen Bereich einstellbar zu machen, daß
ausgedehnte, temperaturbedingte Abweichungen von der
Mittenfrequenz zulässig sind. Dieses Verfahren ist jedoch weniger
erwünscht, da es auf Kosten der Selektivität ausgeführt wird.
Bei bestimmten Anwendungen erfolgt eine Verbesserung der
Temperaturempfindlichkeit auf Kosten der
Einstellempfindlichkelt.
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Das Patent US-4,205,286 beschreibt einen
temperaturstabilisierten Spiralresonator. Bei dieser Konstruktion ist der
Innenleiter um einen zweiteiligen Rahmen gewickelt, dessen
Teile koaxial aufeinanderfolgen, und der untere Teil hat
einen größeren Durchmesser als der obere Teil, und der
untere Teil und der obere Teil sind über eine flexible
Verbindung miteinander verbunden, die es ermöglicht, daß sich die
Teile zueinander verstellen, wenn sich die Temperatur
ändert. Innerhalb des oberen Teils mit kleinerem Durchmesser
erstreckt sich eine Einstellschraube, die als
Einstellelement dient und einerseits durch ein Gewinde im oberen Teil
und andererseits durch die Abdeckung der Abschirmung mittels
einer Kontermutter gehalten wird. Wenn sich die
Umgebungstemperatur ändert, ermöglicht die Verbindung zwischen dem
oberen Teil und dem unteren Teil, daß sich diese Teile
relativ
zueinander verstellen können, jedoch so, daß der Abstand
der Einstellschraube von den Leiterwindungen im oberen Teil
immer konstant bleibt, wodurch auch die kapazitive Kopplung
dieselbe bleibt, unabhängig von der Umgebungstemperatur. Der
Aufbau des in dieser Patentanmeldung beschriebenen
temperaturstabilisierten Resonators ist ziemlich mühselig und teuer
herzustellen, und er ist relativ groß und weist geringen
Q-Wert auf, weswegen er zur Verwendung bei ziemlichen
niedrigen Frequenzen von ungefähr 100 - 200 MHZ geeignet ist.
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Es ist auch ein Temperaturkompensationsverfahren bekannt,
bei dem Verbindungen aus Kunststoff durch Spritzguß an der
Abdeckung der Spiralresonatorabschirmung angebracht werden.
Eine derartige Verbindung umfaßt einen oder mehrere
Vorsprünge, die ausgehend von der Abdeckung der
Resonatorabschirmung zur Resonatorachse gerichtet sind, wobei ein Ende
der Vorsprünge, wie oben angegeben, an der
Resonatorabschirmung befestigt ist und das andere Ende sich teilweise über
die obersten Windungen eines Resonators oder mehrerer in
solcher Weise erstreckt, daß der Leiter der Resonatorwendel
teilweise oder ganz innerhalb dieser Vorsprünge liegt.
Anstatt der Vorsprünge kann ein einzelnes ringförmiges,
zylindrisches Teil verwendet werden, dessen eine Endfläche
dicht an der Abdeckung der Resonatorabschirmung ruht, und
die obersten Windungen der Resonatorwendel befinden sich
innerhalb dieses zylindrischen Teils. Wenn die Temperatur
steigt, ändert sich der Abstand des offenen Endes des
Resonators von der Abschirmungsabdeckung, und dank der
Wärmeexpansion ändern sich die Länge der Spule und die Ganghöhe
der Windungen. Durch Auswählen eines geeigneten Materials
für die Vorsprünge kann versucht werden, eine Kompensation
hinsichtlich der vorstehend genannten Änderungen zu
schaffen. In der Praxis ist eine derartige Temperaturkompensation
der Art nach unterkompensiert, was bedeutet, daß sich die
Frequenz etwas in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.
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Die Temperaturkompensation kann dadurch korrigiert werden,
daß die Unterkompensation mit geeignetem Ausmaß in der
Richtung einer Überkompensation verschoben wird, so daß dann,
wenn sich die Temperatur ändert, das Ergebnis dennoch eine
genaue Temperaturkompensation ist und sich die Frequenz
nicht als Funktion der Temperatur ändert. Die
Korrekturverfahren umfassen folgendes: Heranführen des offenen Endes
eines Spiralresonators näher an die Abdeckung an der
Oberseite oder Verringern der Ganghöhe des Spiralresonators,
d. h. des Abstands zwischen den Windungen, im Bereich der
obengenannten Verbindungen, oder Erhöhen des
Temperaturkoeffizienten des Kunststoffs.
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Wenn das offene Ende des Spiralresonators näher an die
Abdeckung herangeführt wird, hilft dies nur bis zu einer
bestimmten Grenze, d. h., daß sich die Temperaturkompensation
selbst dann nicht mehr in der überkompensierten Richtung
ändert, wenn das Resonatorende unendlich nahe an die Abdeckung
gebracht wird. Wenn das offene Ende eines Spiralresonators
unendlich nahe an die Abdeckung gebracht wird, entsteht auch
ein anderer Nachteil, nämlich die Gefahr eines elektrischen
Durchschlags, und ein derartiger Durchschlag ist
insbesondere bei hohen Spannungen möglich. Es ist auch zu beachten,
daß nach einem bestimmten Optimalabstand der Q-Wert des
Resonanzkreises um so stärker fällt, je näher das offene Ende
des Spiralresonators an die Resonatorabschirmungsabdeckung
gebracht wird.
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Wie vorstehend angegeben, kann ein hinsichtlich der
Temperatur unterkompensierter Resonator dadurch in die
überkompensierte Richtung geändert werden, daß innerhalb des
eingeschlossenen Teils die Ganghöhe des Spiralresonators
verringert wird, d. h. der Abstand zwischen den Windungen. Eine
praxisbezogene Grenze ist für dieses Verfahren durch die
Tatsache gesetzt, daß die Windungen einander nicht berühren
dürfen, und da die Windungen in der Praxis bereits sehr
dicht beieinanderliegen, ist der Spielraum zum Verringern
des Abstands sehr gering. Eine dritte Möglichkeit
hinsichtlich einer Verschiebung in der überkompensierten Richtung
besteht darin, den Temperaturkoeffizienten des Kunststoff 5
zu erhöhen, jedoch ist dies durch die Tatsache begrenzt, daß
die Anzahl verwendbarer Kunststoffe klein ist, da der
Kunststoff auch andere Eigenschaften als gute
Temperatureigenschaften aufweisen muß, weswegen die Anzahl verwendbarer
Temperaturkoeffizienten beschränkt ist.
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Die Dokumente DE-B-1 001 359 und US-A-2,752,494 beschreiben
jeweils breitbandig einstellbare Spiralresonatoren, in denen
sich die Ganghöhe des Resonators vom einen Ende zum anderen
ändert, damit er nominell auf eine spezielle Frequenz
eingestellt werden kann. Es existiert keine
Temperaturkompensation.
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Die Erfindung führt ein Verfahren zur Temperaturkompensation
in einem Spiralresonator ein, das die Nachteile der
obenangegebenen Verfahren beseitigt. Das angegebene Verfahren ist
einfach und kann leicht realisiert werden, und es ist durch
das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil von Anspruch
1 ausgeführt ist.
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Gemäßder Grundidee der Erfindung wird die
Temperaturkompensation in einem Spiralresonator durch Maßnahmen ausgeführt,
die auf die Abstände freier Windungen nahe dem
niederimpedanten Ende der Spiralwicklung zielen, und nicht durch
Maßnahmen, die auf die Abstände nahe dem hochimpedanten, freien
Ende der Wicklung zielen. Diese Windungen am hochimpedanten
Ende können innerhalb einer Halterung liegen, die die
Wicklung an der Abdeckung der Resonatorabschirmung hält, oder
sie können ganz ohne externes Halteteil vorliegen. So wird
die Kompensation nicht über Maßnahmen ausgeführt, die auf
den Abstand zwischen dem freien Ende des Spiralresonators
und der Abdeckung der Abschirmung zielen.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur
detaillierter beschrieben, die einen Querschnitt durch einen
Spiralresonator zeigt.
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Diese Figur repräsentiert ein solches Ausführungsbeispiel,
bei dem die letzten Windungen am hochimpedanten Ende der
Spiralwicklung innerhalb einer Halterung liegen, jedoch kann
der Resonator auch ohne Halterung oder irgendein anderes
Befestigungsteil hergestellt werden.
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Der in der Figur dargestellte Aufbau umfaßt eine
Zylinderwicklung 4, die von einem axialzylindrischen oder
polygonalen Mantel 1 und einer Endfläche 8 umgeben ist, die aus
demselben Material wie der Mantel besteht. Der Mantel und die
Endfläche sind metallisch oder metallisiert. Die letzten
Windungen am freien Ende der Zylinderwicklung sind dadurch
an der Resonatorabschirmungsabdeckung 2 befestigt, daß an
ihr durch Spritzguß eine Kunststoffhalterung 3 angebracht
ist, so daß einerseits die Halterung an der Abdeckung 2 der
Resonatorabschirmung befestigt ist, während andererseits das
Halterungsmaterial 3 im Bereich der Halterung die letzten
Windungen der Wicklung umgibt. Das andere Ende der
Resonatorabschirmung ist durch eine Halteplatte 5 verschlossen,
die z. B. Teil einer Leiterplatte sein kann, und das
Resonatorbein ruht auf dieser Platte 5. In bekannten
Resonatorwicklungen ist die Ganghöhe der Wicklung, d. h. der
gegenseitige Abstand der einzelnen Windungen, immer derselbe. Bei
diesem bekannten Aufbau haben die Halterungen 3, die den
oberen Teil des Spiralresonators halten, die Wirkung, daß
sich dann, wenn sich die Temperatur ändert, der Abstand des
offenen Endes der Wicklung von der Abdeckung 2 der
Abschirmung so ändert, daß er jede Änderung der Wicklungslänge
kompensiert.
wie oben festgestellt, ist eine derartige
Temperaturkompensation der Art nach unterkompensiert, d. h., daß
die Tendenz besteht, daß sich die Frequenz etwas als
Funktion der Temperatur ändert. Wenn die Umgebungstemperatur
ansteigt, bewirkt dies eine Wärmeexpansion der
Resonatorwicklung, woraufhin ihre freien Windungen dichter
aneinandergedrückt werden. Dieses Zusammendrücken der freien Windungen
der Resonatorwicklung bewirkt eine Änderung der
Wicklungslänge. Diese Auswirkung der Änderung kann gemäß der
Erfindung dadurch verringert werden, daß einer der Abstände
zwischen den freien Windungen der Wicklung, z. B. das Intervall
oder die Ganghöhe 7, größer als die anderen gemacht wird,
was die Wirkung hat, daß sich die Kompensation der Wicklung
bei einer Temperaturänderung in Richtung einer
Überkompensation ändert. So ist es gemäß der Erfindung durch
Vorabeinstellen eines Intervalls zwischen den freien Windungen auf
eine geeignete Größe möglich, die Temperaturkompensation
genau richtig einzustellen. Es ist von Vorteil, als dieses
Intervall ein solches auszuwählen, das ziemlich am Anfang
des Resonators liegt, vorzugsweise das Intervall zwischen
der ersten und der zweiten Windung, da dann, wenn die
Temperatur ansteigt und die freien Windungen der
Resonatorwicklung dichter aneinandergedrückt werden, die Änderung hier am
größten ist.
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Die erfindungsgemäße Temperaturkompensation in einem
Spiralresonator kann sehr leicht realisiert werden, und sie kann
in vorteilhafter Weise auf jede Konstruktion angewandt
werden, bei der das offene Ende der Resonatorwicklung mittels
Isolatorhalterungen an der Resonatorabschirmungabdeckung
gehalten wird.
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Durch Anwenden der Erfindung auf einen Aufbau ohne jedes
Halterungs- oder Befestigungsteil am hochimpedanten Ende der
Spirale wurden auch andere überraschende Vorteile zuzüglich
zur Temperaturkompensation erzielt. Ein großer Vorteil
besteht darin, daß Änderungen der körperlichen Abmessungen der
Spiralwicklung die Resonanzfrequenz und andere elektrische
Eigenschaften nicht so stark beeinflussen, d. h., daß der
Durchmesser des Innenleiterdrahts und die Höhe der Wicklung
innerhalb bestimmter Grenzen ohne Änderung der
Resonanzfrequenz verändert werden können. Dies erleichtert die
Herstellung von Resonatoren und Filtern, und es ist weniger
Genauigkeit beim Wickeln eines Drahts zum Erstellen eines
Innenleiters erforderlich.