DE4029410A1 - Topfkreis oder belasteter hohlraumresonator mit temperaturkompensation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Topfkreis mit Temperaturkompensation oder einen belasteten Hohlraumresonator mit Temperaturkompensation für die Mikrowellentechnik.

Zum Stand der Technik werden folgende Veröffentlichungen genannt:

• 1) Meinke, Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik.
  3. Auflage, 1968, Springer-Verlag, Berlin, Seite 457 bis 484.
• 2) Kanadische Patentschrift 11 52 169.

Auf der Seite 460 von (1) sind sowohl Unterschiede als auch Gemeinsamkeiten von Topfkreisen und belasteten Holraumresonatoren aufgeführt. Topfkreise sind gegenüber ihrem Durchmesser verhältnismäßig lang. Bei Hohlraumresonatoren ist es umgekehrt. Bei beiden ist gemeinsam, daß ein Belastungsstempel in den Innenraum hineinragt und daß die Kapazität zwischen der Stirnfläche des Belastungsstempels und der der Stirnfläche gegenüberliegenden Wand als Belastungskapazität wirkt. Anstelle des Ausdruckes "Belastungsstempel" ist bei Topfkreisen auch der Ausdruck "Innenleiter" gebräuchlich.

Auf der Seite 468 von (1) ist die Notwendigkeit einer Temperaturkompensation behandelt, wenn ein solcher Hohlraumresonator aus Metall gefertigt ist und seine Resonanzfrequenz unabhängig von der Temperatur sein soll. Dort sind auch zwei Lösungen angegeben. Die erste Lösung besteht darin, daß der ganze Hohlraumresonator aus einem Metall mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizient besteht. Die zweite Lösung setzt einen Hohlraumresonator mit einer Abstimmeinrichtung voraus und besteht darin, daß der Antrieb für diese Abstimmeinrichtung mit einer Temperaturkompensation ausgestattet ist. Die erste Lösung bewirkt keine vollständige Kompensation. Die zweite Lösung ist nur anwendbar, wenn ohnehin ein Abstimmungsantrieb vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Topfkreis oder belasteten Hohlraumresonator mit Temperaturkompensation anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre nach dem Patentanspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche lehren vorteilhafte Weiterbildungen.

Aus (2) ist ein Hohlraumresonator bekannt, bei dem eine Wand ganz als Bimetallplatte ausgebildet ist. Jedoch handelt es sich um einen unbelasteten Hohlraumresonator, also um einen Hohlraumresonator ohne Belastungsstempel. Außerdem befindet sich das Metall mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten innen. Daß dies so sein muß, ergibt sich aus folgenden Überlegungen: Die gewünschte Konstanz der Resonanzfrequenz wird dadurch erreicht, daß das Volumen des Hohlraumresonators konstant gehalten wird. Da sich der Hohlraumresonator bei Erwärmung ausdehnt, läßt sich die Konstanz des Volumens nur erreichen, wenn sich eine Wand bei Erwärmung nach innen wölbt. Dies ergibt sich aus der Fig. 9B in Verbindung mit der Fig. 1. Aus der Fig. 1 ergibt sich, daß sich die Schicht 6 innen befindet. Aus der Fig. 9B ergibt sich bei Temperaturerhöhung eine Wölbung in Richtung der Schicht 6, also lt. Fig. 1 nach innen. Eine Wölbung gemäß der Fig. 9B setzt voraus, daß die Schicht 6 den größeren Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist.

Die Erfindung wird anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Hohlraumresonator mit rundem Querschnitt

Fig. 2 ein Hohlraumresonator mit quadratischem Querschnitt

Fig. 3 ein zylindrischer Topfkreis.

Anhand der Fig. 4a, 4b, 5a und 5b wird die Funktion erklärt.

Es wird zunächst die Fig. 1 beschrieben. In ihr ist der Hohlraumresonator im Längsschnitt und in einer Ansicht dargestellt. Es bedeuten:
W₁ eine erste Wand,
W₂ eine zweite Wand,
M ein Mantel,
BSt ein Belastungsstempel,
S eine Scheibe.

Die erste Wand W₁, die zweite Wand W₂ und der Mantel M bilden den Hohlraumresonator. An der ersten Wand W₁ ist innen vorzugsweise in der Mitte der Belastungsstempel BSt mit seiner ersten Stirnfläche angebracht. Seine zweite, freie Stirnfläche befindet sich in einem bestimmten Abstand zur zweiten Wand W₂. Dieser Abstand ist so bemessen, daß sich die gewünschte kapazitive Belastung ergibt. Die beiden Wände W₁ und W₂, der Mantel M und der Belastungsstempel BSt sind aus Metall hergestellt. Um eine geringe Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Temperatur zu erreichen, bevorzugt man ein Metall mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizient, z. B. Invar.

An der zweiten Wand W₂ ist außen durch eine stoff- oder formschlüssige Verbindung die Scheibe S angebracht. Sie besteht aus einem Metall mit einem gegenüber dem der zweiten Wand W₂ größeren Wärmeausdehnungskoeffizient, und sie ist gegenüber der freien Stirnfläche des Belastungsstempels BSt angebracht. Als stoffschlüssige Verbindung wird das Löten bevorzugt. Durch die feste Verbindung der Scheibe S mit der zweiten Wand W₂ und der Verwendung von Metallen mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist die zweite Wand W₂ im Bereich der Scheibe S als Bimetallplatte ausgebildet. Da die Scheibe S kleiner ist als die zweite Wand W₂, liegt hier der Fall vor, daß die zweite Wand W₂ nur teilweise als Bimetallplatte ausgebildet ist. Die Scheibe S ist hier rund gezeichnet. Sie kann aber auch eckig ausgeführt sein. Die Scheibe S ist hier gleich dick wie die zweite Wand W₂ gezeichnet. Sie kann jedoch dicker oder dünner ausgeführt sein, wobei ein Bereich vom 0,2fachen bis zum 5fachen der Wanddicke infrage kommt.

Nicht dargestellt sind Mittel zum Ein- und Auskoppeln der Hochfrequenzleistung.

Die Fig. 2 unterscheidet sich von der Fig. 1 nur dadurch, daß der Hohlraumresonator einen quadratischen Querschnitt aufweist. Dementsprechend sind die erste und die zweite Wand quadratisch ausgebildet. Die übrigen Ausführungen gelten hier sinngemäß.

In der Fig. 3 ist ein zylindrischer Topfkreis dargestellt. mit IL ist sein Innenleiter, mit AL sein Außenleiter bezeichnet. Im übrigen gelten die Ausführungen zur Fig. 1 auch hier sinngemäß, wobei sich der Belastungsstempel BSt und der Innenleiter in ihrer Wirkung einander entsprechen.

Die Wirkung der als Bimetallplatte ausgebildeten zweiten Wand W₂ wird anhand der Fig. 4a und 4b erläutert. Diese Erläuterung gilt sinngemäß für alle in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen. In der Fig. 4a ist der Zustand bei üblichen Raumtemperaturen dargestellt. In der Fig. 4b ist der Zustand nach Erwärmung dargestellt. Die Erwärmung kann sich dadurch ergeben, daß der Hohlraumresonator bzw. der Topfkreis einer hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt wird. Die Erwärmung kann sich aber auch dadurch ergeben, daß der Hohlraumresonator oder der Topfkreis mit einer hohen Hochfrequenzleistung betrieben wird, wobei die dabei auftretende Verlustleistung eine Eigenerwärmung bewirkt.

Bei Raumtemperatur ist, wie in der Fig. 4a dargestellt, die Wand W₂ und die Scheibe S eben. Zwischen der Wand W₂ und dem Belastungsstempel besteht eine bestimmte Kapazität, die als Belastungskapazität wirkt. Sie ist so bemessen, daß der Hohlraumresonator die gewünschte Resonanzfrequenz aufweist.

Bei Erwärmung dehnt sich der ganze Hohlraumresonator aus, was ohne eine Kompensation eine Verringerung der Resonanzfrequenz zur Folge hat. Diese Ausdehnung kommt in der Fig. 4b nicht zum Ausdruck. Außerdem dehnt sich die Scheibe S stärker aus als die Wand W₂, was zu der in der Fig. 4b übertrieben stark dargestellten Wölbung nach außen führt. Durch die Wölbung verringert sich die Kapazität zwischen dem Belastungsstempel BSt und der Wand W₂, was im Sinne einer Erhöhung der Resonanzfrequenz wirkt. Durch geeignete Bemessung der Scheibe und Wahl eines Metalls mit einem passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten läßt sich erreichen, daß die durch die Wölbung verursachte Erhöhung der Resonanzfrequenz die durch die Ausdehnung des ganzen Hohlraumresonators bewirkte Verringerung der Resonanzfrequenz gerade aufhebt, d. h., bei Temperaturänderung bleibt in erwünschter Weise die Resonanzfrequenz konstant. Die zuvor erwähnte geeignete Bemessung der Scheibe zur Erzielung der gewünschten Kompensation bezieht sich auf ihren Durchmesser bei einer runden Scheibe bzw. auf ihre Kantenlänge bei einer eckigen Scheibe sowie auf ihre Dicke im Verhältnis zur Dicke der Wand. Je größer der Durchmesser bzw. die Kantenlänge gewählt wird, um so größer ist die Wölbung und damit auch die Erhöhung der Resonanzfrequenz. Hinsichtlich der Dicke gilt folgendes: Wenn man für die Scheibe und die Wand Metalle mit gleichem Elastizitätsmodul verwendet, so erreicht man die größtmögliche Wölbung bei gleicher Dicke von Scheibe und Wand. Bei unterschiedlichen Elastizitätsmodulen gibt man jedoch dem Teil mit dem kleineren Elastizitätsmodul die größere Dicke.

In den Fig. 5a und 5b sind die Zustände dargestellt, die sich bei einer aufgelöteten Scheibe ergeben. Die Scheibe und die Wand werden üblicherweise aus bei Raumtemperatur ebenen Blechen ausgeschnitten, d. h., beide Teile sind zunächst eben. Sie sind auch noch eben, wenn beide aufeinandergelegt und mit dem zwischen ihnen aufgebrachten Lot bis über die Schmelztemperatur des Lotes erwärmt wurden, weil sich beide Teile noch unabhängig voneinander ausdehnen können. Sie sind auch dann noch eben, wenn beim darauffolgenden Abkühlen die Erstarrungstemperatur des Lotes erreicht wird. Beim weiteren Abkühlen bis auf Raumtemperatur können sich aber die Scheibe und die Wand nicht mehr unabhängig voneinander zusammenziehen, und es kommt wegen des höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten der Scheibe zu der in der Fig. 5a übertrieben groß dargestellten Wölbung nach innen. Auch hier ist der Abstand zwischen dem Belastungsstempel BSt und der Wand W₂ so bemessen, daß sich die gewünschte Resonanzfrequenz ergibt.

Bei einer Erwärmung geht, wie in der Fig. 5b dargestellt ist, die Wölbung zurück, und die Kapazität zwischen dem Belastungsstempel BSt und der Wand verringert sich. Es tritt also auch hier die schon im Zusammenhang mit den Fig. 4a und 4b beschriebene resonanzfrequenzerhöhende Wirkung ein. Die Ausführungen zu den Fig. 4a und 4b gelten also hier sinngemäß.

Claims (3)

1. Topfkreis oder belasteter Hohlraumresonator, dadurch gekennzeichnet, daß die der freien Stirnfläche des Innenleiters bzw. des Belastungsstempels gegenüberliegende Wand ganz oder teilweise als Bimetallplatte ausgebildet ist, wobei das Metall mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizient außen liegt.

2. Topfkreis oder belasteter Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei teilweiser Ausbildung der Wand (W₂) als Bimetallplatte eine Scheibe (S) mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizient mit der Wand (W₂) stoff- oder formschlüssig verbunden ist, wobei sich die Scheibe (S) gegenüber der freien Stirnfläche des Innenleiters (IL) bzw. des Belastungsstempels (BSt) befindet (Fig. 1, 2 bzw. 3).

3. Topfkreis oder belasteter Hohlraumresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssige Verbindung der Scheibe mit der Wand als Lötverbindung ausgebildet ist.