SE514247C2 - Temperaturkompenserad stavresonator - Google Patents

Description

25 30 514 24,7, p, 2 pensera för storleksförändringar orsakade av temperaturvaria- tioner för att därigenom hålla resonansfrekvensen huvudsakli- gen konstant.

En klassisk metod är att kombinera olika material med olika termiska expansionskoefficienter i olika delar av resonatorn.

Ett annat sätt är att använda bimetalliska element för att uppnå den önskade temperaturkompensationen_ I en kavitetsresonator beskriven i US-A-3,414,847 (Johnson), är en av väggarna som definierar en lådformig kavitet eller åtminstone en del av en sådan vägg, utformad som en bimetal- lisk skiva som är rörlig i sin helhet i relation till de andra väggarna i kaviteten, primärt för att möjliggöra avstämning av resonatorn. Skivan är monterad på en axiellt rörlig plugg el- ler axel, varigenom resonatorn kan avstämmas till en önskad resonansfrekvens. Den bimetalliska skivan kommer att ändra sin geometriska form när temperaturen varierar och konstruktionen syftar till att kompensera för temperaturinducerade storleks- förändringar genom en sådan förändring av skivans form. Efter- som resonansfrekvensen beror av den totala höjden eller läng- den hos kaviteten och avståndet mellan skivan och den motstå- ende väggen i kaviteten är relativt stor, kommer dock kompen- sationseffekten att variera med det speciella läge som skivan har när resonatorn avstäms. Därigenom är det svårt att erhålla en exakt temperaturkompensation. Dessutom är totaldimensio- nerna hos kavitetsresonatorer av denna typ relativt stora, åt- minstone i frekvensområdet kring 1-2 GHz.

En liknande enhet har beskrivits i SU-836-711 (Savshinskii), där det kompenserade elementet är en elastisk kupolformad platta, vilken i sin ytterkant är fäst i en metallisk hållare med en annan termisk expansionskoefficient än den hos plattan. 23510b; 1999-08-25 10 15 20 25 30 _ r x -, .I fw .. 1 <. f. - <- .- f <. _ . .- «. v. .. -_ . z U -.< rn 1 . .U (pg-_ (f (f ¿ , . I v 1 < r - w :k -. c I . x - . z .f av v; erlcr 3 Plattans böjning, vilken är temperaturberoende, kommer att be- stämma den effektiva längden hos kaviteten. Dock uppträder samma problem som i det förra exemplet på känd teknik.

På liknande sätt beskriver US 3,740,677 (Motorola) en kavi- tetsresonator där en kolv på en axel är förskjutbar med hjälp av två bimetalliska brickor monterade pá axeln. De yttre kan- terna pà brickorna är fästa på motstàende sidor av kolven, varigenom kolven kommer att förskjutas i sin helhet när brick- orna ändrar form som resultat av temperaturvariationer.

Vidare är en dielektrisk resonator med en temperaturkompense- rande bimetallisk platta beskriven i JP-3-22602. Här är plat- tan monterad pà en avstämningsskruv mitt emot en dielektrisk resonator, vilken har ungefär samma diameter som plattan. Na- turligtvis är huvuddelen av den elektromagnetiska energin i en sådan dielektrisk resonator innesluten i den dielektriska el- ler keramiska kroppen. Därför är resultatet av en förändring i den geometriska konfigurationen för plattan marginell. Därtill kommer det, med ett relativt stort avstämningsintervall, att vara praktiskt taget omöjligt att uppnå den önskade tempera- turkompensationen för att därigenom bibehålla en huvudsakligen fast resonansfrekvens.

Ett annat exempel på resonatorer av känd typ, med en tempera- turkompenserande platta, är koaxialresonatorn beskriven i US-A-5,304,968 (LK-Products OY), vilken är av den typ som be- skrivits i det första stycket ovan. Den centrala delen av plattan är separerad på ett visst avstånd från resonatorns övre vägg och plattan har två motstàende kantpartier fästa vid den övre väggen. De termiska expansionskoefficienterna är olika för den övre väggen och för plattan. Därför kommer plat- tan att förändra sin konfiguration när temperaturen varierar, 2351 Ob; 1 999-08-25 10 15 20 25 30 H I - ; -< 1- .- j ^~< f ~\ . . ,, , r 1. 1. .. .. , _ _ ,, t ,'\ H1 - -r- <<.<. .. ff ( , ¿ ; z - f . . . t. . , , «. -z -. ., (n, 4 och kapacitansen mellan den övre väggen och den fria änden av resonatorstaven kommer därför också att ändras. På grund av den lilla arean hos den fria änden på staven är det svårt att uppnå en väldefinierad kapacitans och en noggrann temperatur- kompensation.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Med utgångspunkt för det ovanstående är huvudsyftet med före- liggande uppfinning att uppnå en förbättrad temperaturkompen- sation för en resonator av den typ som beskrivits i det första stycket, så att resonansfrekvensen hålles huvudsakligen kon- stant oberoende av oundvikliga variationer i temperatur.

Ytterligare ett syfte är att möjliggöra användandet av mate- rial som är mindre temperaturstabila och möjliggöra val av lämpliga material utan behov att blanda material med olika termisk expansionskoefficient.

Ytterligare ett syfte är att möjliggöra avstämning av reso- nansfrekvensen oberoende av de åtgärder som krävs för tempera- turkompensation.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att uppnå en resona- tor med små yttermått, som är relativt lätt att tillverka.

Dessa ändamål uppnås med en resonator enligt föreliggande upp- finning, vilken har följande särdrag: Den temperaturkompenserande plattan är en bimetallisk platta med en större diameter än resonatorstaven. Den centrala delen av den bimetalliska plattan är fäst vid den övre änden av re- sonatorstaven, varigenom den bimetalliska plattan, i samverkan 235lOb; 1999-08-25 10 15 20 25 30 514 247 5 med den omedelbart intilliggande övre väggen, definierar en kapacitans, som har en dominerande inverkan på resonans- frekvensen, samtidigt som den ger en reduktion av den geomet- riska längden hos staven jämfört med en stav utan en sådan platta. Därtill kan den bimetalliska plattans perifera parti böja sig fritt i beroende av temperaturvariationer, varigenom kapacitansen mellan den bimetalliska plattan och den övre väggen förändras på ett sådant sätt, att den motverkar temperaturinducerade dimensionsförändringar hos huset och resonatorstaven.

Försök har visat att det är möjligt att uppnå en mycket stabil resonansfrekvens med en stavresonator med en sådan struktur.

På grund av den relativt stora effektiva arean hos den bime- talliska plattan kan den övre kapacitansen (mellan plattan och den övre väggen) hållas på ett högt värde samtidigt som en viss minimidistans mellan dessa upprätthålls, varigenom tole- ranserna hos konstruktionselementen (den övre väggen och plat- tan) kan hållas på rimliga nivåer, vilket underlättar till- verkningen av resonatorn.

Därtill kan effekttåligheten ökas på grund av det relativt stora avståndet mellan stavens övre ändparti och den övre väg- gen. Därigenom minskar risken för elektriskt genomslag.

I princip kommer den bimetalliska plattan, eller åtminstone den centrala delen av denna, att vara stationär på grund av att dess centrala del är fäst på den övre änden av den fasta resonatorstaven. Även om avstämning genomförs, t.ex. med hjälp av ett justerelement placerat på den motstående övre väggen, förblir den metalliska plattan och den motstående övre väggen fixt placerade i relation till varandra. Därigenom kommer det, i regionen där temperaturkompensationen försiggår, d.v.s. på 2351013; 1999-08-25 10 15 20 25 30 514 247 6 ytterdelen av den bimetalliska plattan, inte att uppträda några förändringar till följd av justeringen. Därigenom kommer temperaturkompensationen att vara huvudsakligen opåverkad av justeringen.

Det har visats att tillverkning av en stavresonator enligt uppfinningen är relativt enkel och billig. Huset kan tillver- kas av aluminium med en gjutprocess och materialet för de öv- riga delarna av resonatorn kan väljas utan att ta hänsyn till de olika termiska expansionskoefficienterna.

Därtill är, tack vare den relativt korta längden hos resona- torstaven, helhetsstorleken för resonatorn, och något filter innehållande en eller flera sådana resonatorer, liten. Natur- ligtvis är detta till stor fördel i många praktiska tillämp- ningar, såsom radioenheter, t.ex. i basstationer för mobila telefonsystem och liknande. Ur praktisk synvinkel kan det också vara fördelaktigt att använda plastmaterial täckta med elektriskt ledande material för huset och möjligtvis också re- sonatorstaven. Naturligtvis kan staven göras av ett annat ma- terial än huset så länge som ytan hos detta är elektriskt le- dande.

Såsom indikerats ovan är det viktigt att den bimetalliska plattan är säkert fäst på övre änden av resonatorstaven. Detta kan uppnås praktiskt genom att tillverka den bimetalliska plattan i form av ett ringelement med ett hål huvudsakligen motsvarande tvärsnittsformen hos resonatorstaven (vid dennas övre ände - i princip kan resonatorstaven ha ett tvärsnitt som är olika på olika delar utmed längden). Ett föredraget sätt att fästa plattan är att använda nitförband. Dessa och andra särdrag kommer att framgå av de bifogade kraven. 235lOb; 1999-08-25 10 15 20 25 30 Ut .u - . - u Iz u :r . v: rn .. .. . . f. < 1 r l - c: :<1 - f . - u n r ut. ,,.,. , ..., .wr- :l vr o e . 1 r r- \ . «< r r 1 f x \ = .f h n :Ur < 7 Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan med referens till ritningarna, vilka visar några föredragna utföringsformer av uppfinningen.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGSFIGURER Fig. 1 visar i en schematisk sektionerad sidovy en stavresona- tor enligt en första utföringsform; Fig. 2-5 visar, delvis i större skala, olika modifikationer av kopplingen mellan staven och den bimetalliska plattan inklude- rad i stavresonatorn i fig. 1; Fig. 6 visar, också i en schematiskt sektionerad sidovy, en andra utföringsform av en resonator med tre stavar.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Den i fig. 1 visade resonatorn inkluderar ett cylindriskt el- ler lådformigt hus 10 med en nedre vägg 11, sidoväggar 12 och en övre vägg 13, utformad som ett lock, samt en central reso- natorstav 14, vilken normalt har en elektrisk längd motsva- rande en fjärdedel av våglängden (vid den normala resonans- frekvensen). Väggarna ll-13 i huset 10 såväl som staven 14, kan göras av ett elektriskt ledande material, t.ex. ett metal- liskt material såsom aluminium. Alternativt kan dessa element göras av ett plastmaterial täckt med ett elektriskt ledande material pà insidan, så att kaviteten 15 inuti huset 10 defi- nieras av de elektriskt ledande väggytorna. Den hittills be- skrivna resonatorn är en koaxialresonator inom vilken ett elektromagnetiskt fält kan exciteras till en resonansfrekvens genom anslutning av resonatorn till in- och utgàngsorgan (ej visade i fig. 1), såsom är känt i och för sig. Därigenom kan 2351 Ob; l 999-08-25 10 15 20 25 30 -u n; f . ., .f ._ \ «r f. .- .. - . .. - ~ v: -rr ur - - -».- <<.<- .- «< « - f <- . (- f «« f. f 4- c - .f 1- u 8 resonatorn användas som ett bandpassfilter med ett passband centrerat kring resonansfrekvensen.

Såsom också är känt för fackmannen finns det en avstämningsen- het 16 pà den centrala delen av den övre väggen 13, inklude- rande en justerskruv 17 och en låsmutter 18. Härigenom kan re- sonansfrekvensen justeras till ett önskat värde inom vissa gränser.

Enligt uppfinningen är en bimetallisk platta 20 monterad pà den övre änden av resonatorstaven 14 för att uppnå temperatur- kompensation. Den centrala delen 21 av plattan 20 är fäst vid staven 14, medan ytterdelarna 22 av denna tillåts böja fritt uppåt och nedåt i beroende av temperaturvariationer, sàsom an- tyds av de streckade linjerna i fig. 1. Härigenom kommer de temperaturinducerade storleksförändringarna hos huset 10 och staven 14, att motverkas för att därigenom huvudsakligen re- ducera eller till och med eliminera den àtföljande föränd- ringen i resonansfrekvens, såsom diskuterats ovan. Därtill re- duceras stavens 14 längd och den totala storleken på resona- torn tack vare plattan 20.

Ytterdiametern på den bimetalliska plattan 20 skall vara större än diametern på staven 14, företrädesvis 1,5-4 gånger den sistnämnda diametern, för att uppnå de fördelaktiga effek- terna nämnda ovan.

Företrädesvis är, såsom visas i fig. 2-5, plattan ett ringele- ment 20', 20", med ett centralt hål 21', vilket huvudsakligen motsvarar tvärsnittsformen hos resonatorstaven l4', 14".

Lämpligtvis har den övre änddelen av staven 14' en central ur- tagning eller ett borrhål 23, som delvis kan lämna plats för 2351 Ob; 1999-08-25 10 15 20 25 30 514 247 9 en justerskruv 17, om detta är nödvändigt, utan att komma i kontakt med den sistnämnda.

Borrhålet 23 kommer att definiera en övre hylsdel 24 av staven l4', försedd med en anslagsskuldra 25 som bildas av en yttre urtagning på toppen av hylsdelen 24. Därigenom kommer det bi- metalliska ringelementet 20' att ligga i ett väldefinierat läge. En säker fixering av ringelementet kan uppnås genom att man deformerar materialet i hylsdelen 24 mot den inre kanten av hålet 2l'.

Som ett alternativ kan en separat hylsa fästas i den centrala urtagningen 23. Såsom visat i fig. 3 är en nedre fläns eller vägg 27 fäst vid underdelen av urtagningen 23 med hjälp av en fästskruv 28.

Ringelementet 20' kan vara avfasat vid den övre änden av hålet 2l', såsom visat vid 29 i fig. 4, varigenom nitning av hylsde- len 24 eller hylsan 26 förenklas och en säker fastsättning av ringelementet i ett fixt läge uppnås.

Ytterligare en modifikation av förbindningen mellan staven l4" och plattan 20" visas i fig. 5 där en massiv del av sta- ven l4" har försetts med ett yttre cirkulärt spår 30 med ett krökt tvärsnitt. Ringelementet 20" har en rundad inre kant 31, som passar i spåret 30 och håller ringelementet 20" i läge samtidigt som det tillåter en böjrörelse hos denna.

Fig. 6 visar en andra utföringsform av en resonator enligt uppfinningen försedd med tre resonatorstavar 14 i en rad i samma hus 100. Varje resonatorstav 14 har en bímetallisk platta 20 och en avstämningsenhet 16 finns placerad mitt emot 235lOb; 1999-08-25 10 15 514 247 f 10 respektive resonatorstav 14 på den övre väggen 130. In- och utgàngsanslutningar 150, 151 visas också i fig. 6.

Därigenom kan ett filter sammansättas av ett antal resonator- stavar i ett hus. De olika stavarna behöver inte vara place- rade längs en rak linje utan kan vara placerade i någon önskad konfiguration. Husets konfiguration, som definierar en kavitet med en eller ett önskat antal resonatorstavar, kan också väl- jas efter önskan.

Den bimetalliska plattan behöver inte vara cirkulär utan kan vara kvadratisk, polygonformad eller ha någon annan form, företrädesvis symmetrisk med avseende på resonatorstavens axellinje. Såsom antytts ovan kan den centrala delen av den bimetalliska plattan vara massiv eller vara försedd med ett centralt hål. Vidare behöver den bimetalliska plattan inte vara plan i sitt vilotillstånd utan kan vara helt eller delvis krökt, t.ex. såsom en skål. 235lOb; 1999-08-25

Claims (13)

514 24711200 ll P A T E N T K R A V

1. Temperaturkompenserad stavresonator, innehållande: - ett hus (10) med elektriskt ledande väggar, inkluderande sidovâggar (12), en nedre vägg (ll) och en övre vägg (13), - åtminstone en elektriskt ledande resonatorstav (14) som sträcker sig från nämnda nedre vägg (11) mot nämnda övre vägg (13), varvid ett övre ândparti av nämnda stav (14) är belägefi pà ett förutbestämt avstånd fràn nämnda övre vägg för att därigenom definiera en resonansfrekvens, - en temperaturkompenserande platta (20) placerad i omedel- bar närhet av nämnda övre vägg (13) och anpassad för att ändra sin geometriska konfiguration i beroende av tempera- turvariationer, och - en anslutningsanordning (150,151) för överföring av elekt- romagnetisk energi till och fràn resonatorn, k ä n n e t e c k n a d a v att - nämnda temperaturkompenserande platta är en bimetallisk platta (20), som har större diameter än nämnda resonator- stav (14), - en central del (21) av nämnda bimetalliska platta (20) är fäst vid nämnda övre ândparti av nämnda resonatorstav (14), varigenom den bimetalliska plattan, tillsammans med den närbelägna övre väggen (13) definierar en kapacitans, som har en dominerande inverkan pà nämnda resonansfrek- vens, - varvid en perifer del (22) av nämnda bimetalliska platta (22) tilläts böjas fritt i beroende av nämnda temperatur- variationer, varigenom nämnda kapacitans mellan den bi- metalliska plattan (20) och nämnda övre vägg (13) föränd- ras pä ett sàdant sätt att den motverkar temperaturinduce- rade storleksförändringar hos nämnda hus och nämnda reso- DâCOrStaV . 23Sl0b.d0C; 2000-10-02 10 15 20 25 30 514 247 12

2. Stavresonator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att diametern pà nämnda bimetalliska platta (10) är 1,5-4 gånger diametern pà nämnda resonatorstav (14).

3. Stavresonator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda bimetalliska platta är ett ringelement (20') med ett hàl (21') väsentligen motsvarande resonatorstavens (14') tvärsnittsform.

4. Stavresonator enligt krav 3, k à n n e t e c k n a d a v ett avstämningselement (16) är placerat i nämnda övre vägg (13) mitt för nämnda bimetalliska ringelement (20'), varvid nämnda övre ändparti av nämnda resonatorstav (l4') har en central urtagning (23) med en diameter som är betydligt större än diametern pá nämnda avstämningselement (16).

5. Stavresonator enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d a v att det bimetalliska ringelementet (20') är mekaniskt fäst vid nämnda övre ändparti av nämnda resonatorstav (l4') medelst en hylsdel (24), som sträcker sig axiellt genom hålet (21') pà det bimetalliska ringelementet.

6. Stavresonator enligt nàgotdera av kraven 3-5, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda bimetalliska ringele- ment (20') är fäst vid nämnda resonatorstav (l4') med hjälp av ett nitförband .

7. Stavresonator enligt krav 5 eller 6, k ä n n e t e c k - n a d a v att en övre del av nämnda resonatorstav (l4') innehåller en hylsdel (24), vars utvändiga omkretsyta har en urtagning som utgör en anslagsyta (25) för positionering av 23Sl0b.d0C; 2000-10-02 10 15 20 25 ä14 247 13 nämnda bimetalliska ringelement (20') pà nämnda fasta resona- torstav.

8. Stavresonator enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda hylsdel är en separat hylsa (26), som har en övre fläns, och som vid sin undre ände är fäst vid den undre delen av nämnda urtagning (23) i den fasta resonatorstaven (l4').

9. Stavresonator enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda hylsa har en_bottenfläns eller en vägg (27) med ett häl för en mutter (28).

10. Stavresonator enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda bimetalliska ringelement (20') har en avfasad kant- del (29) pà den övre delen av nämnda häl (23).

11. ll. Stavresonator enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d a v att hålet i nämnda bimetalliska ringelement (20") anligger i ett cylindriskt spår (30) i en cylindrisk omkretsyta pà nämnda fasta resonatorstav (l4").

12. Stavresonator enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d a v att en inre kantdel (31), vilken definierar nämnda häl i nämnda bimetalliska ringelement (20") och nämnda cylindriska spär (30) båda har en böjd tvärsnittsform.

13. Filter innehållande åtminstone en resonator enligt något av kraven 1-12. 23SlDb.d0C; 2000-10-02