-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Stirnwandanordnung für ein elektromagnetisches
Filter, das einen Hohlleiterkörper
aufweist, wobei die Stirnwandanordnung eine erste Platte, die aus
einem Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten
hergestellt und an dem Hohlleiterkörper festgelegt ist, und eine
zweite Platte zur thermischen Kompensation der Charakteristik des
Filters aufweist, die direkt an der ersten Platte angebracht und
aus einem Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten
hergestellt ist, der sich von dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten
wesentlich unterscheidet.
-
Ferner
betrifft die vorliegende Erfindung ein elektromagnetisches Filter
mit einem Resonator, der ein Gehäuse
aufweist, wobei das Gehäuse
eine im Wesentlichen zylindrische Kavität definiert, und mit einer
Stirnwandanordnung benachbart zu der zylindrischen Kavität.
-
Eine
derartige Stirnwandanordnung und ein solches elektromagnetisches
Filter sind bekannt aus dem Dokument
WO
87/03745 .
-
Die
Erfindung betrifft generell die thermische Stabilisierung einer
Struktur mit einer einzelnen Kavität oder einer Struktur mit mehrfachen
Kavitäten
bzw. Hohlräumen
(wobei zylindrische Kavitäten
koaxial tandemartig angeordnet sind, wie bei der Konstruktion eines
Mikrowellenfilters aus einer Vielzahl von Resonanzkammern oder Kavitäten), und
betrifft insbesondere eine Anordnung aus einer oder mehreren Kavitäten, die
wenigstens eine querverlaufende, ausgebogene bzw. gewölbte bzw.
bogenförmig
ausgebildete bzw. ausgestülpte
Stirnwand verwendet, und zwar mit Materialien, die unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzen, um ausgewählte Verhältnisse
einer thermisch ausgelösten
Deformation der Stirnwand bereitzustellen, um so Änderungen des
Resonanzverhaltens entgegenzuwirken, die durch eine thermische Expansion
bzw. Kontraktion einer äußeren zylindrischen
Wand der Kavitätsstruktur
hervorgerufen werden.
-
Kavitätsstrukturen
werden für
Mikrowellenfilter verwendet. Wie es im Stand der Technik bekannt ist,
ist ein Kavitätsresonator
tatsächlich
eine abgestimmte („tuned") Schaltung, die
dazu verwendet wird, um elektromagnetische Signale mit unerwünschten
Frequenzen aus eingangsseitiger elektromagnetischer Energie herauszufiltern
und um Signale auszugeben, die eine vorab ausgewählte Bandbreite besitzen, und
zwar zentriert um eine oder mehrere Resonanzfrequenzen herum.
-
Eine
für einen
Kavitätsresonator
regelmäßig verwendete
Kavität
hat die Form eines geraden kreisförmigen Zylinders, wobei der
Durchmesser und die Höhe
(oder die axiale Länge)
der Kavität
zusammen den Wert einer Resonanzfrequenz bestimmen. Für Filter,
die mathematisch als Mehrfachpolfilter beschrieben werden können, ist
es gängige
Praxis, ein zylindrisches Gehäuse
mit querverlaufenden, scheibenförmigen
Partitionen oder Wänden
bereitzustellen, die die individuellen Kavitäten definieren. In den Partitionen
vorgesehene Blenden („Irises") stellen die Kopplung
der gewünschten
Modi der elektromagnetischen Wellen zwischen den Kavitäten bereit,
um eine gewünschte
Filterfunktion oder -antwort zu erzeugen.
-
Ein
Problem ergibt sich daraus, dass Änderungen der Umgebungstemperatur Änderungen
in den Abmessungen des Filters hervorrufen, mit einer daraus folgenden Verschiebung
der Resonanzfrequenz von jedem Filterabschnitt. Da die einer jeden Kavität zugeordnete
Resonanzfrequenz eine Funktion der Abmessungen der Kavität ist, wobei
ein Anstieg der Temperatur dimensionsmäßige Änderungen der Kavität hervorruft,
ruft ein solcher Temperaturanstieg folglich temperatur-induzierte Änderungen der
Resonanzfrequenz hervor, die der Kavität zugeordnet ist. Insbesondere
ruft ein Anstieg der Temperatur eine thermische Expansion des Hohlleiterkörpers hervor,
so dass die Kavität
sowohl axial als auch in Querrichtung vergrößert wird.
-
Ein
aus Aluminium hergestelltes Filter erfährt beträchtliche dimensionsmäßige Änderungen
verglichen mit einem Filter, das aus einer Invar-Nickel-Stahllegierung
(nachfolgend als „INVAR" bezeichnet) aufgebaut
ist, und zwar aufgrund des sehr viel größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Aluminium verglichen mit INVAR. Nichtsdestotrotz ist es häufig so,
dass Aluminium ein bevorzugtes Material für die Konstruktion von Filtern
darstellt, und zwar insbesondere für luftfahrttechnische Anwendungen, und
zwar aufgrund seiner geringeren Dichte als auch seiner größeren Fähigkeit,
Wärme abzuleiten,
verglichen mit INVAR.
-
Eine
Lösung
für das
vorstehende Problem, die insbesondere für Filter mit zwei Kavitäten brauchbar
ist, wird in dem
US-Patent mit
der Nr. 4,677,403 von Kich dargestellt (nachstehend „'403-Patent"). Hierbei ist eine
Stirnwand von jeder Kavität
als eine bogenförmig
ausgestülpte
Scheibe ausgebildet, wohingegen eine zentrale Wand einer Iris bzw.
Blende zum Koppeln von elektromagnetischer Energie eine ebene Form
besitzt. Ein Anstieg der Temperatur vergrößert den Durchmesser von jeder
Kavität
und führt auch
zu einem Anstieg der bogenförmigen
Ausstülpung
der Stirnwände,
was mit einer Reduktion der axialen Länge der jeweiligen Kavität einhergeht.
Die Verschiebung der Resonanzfrequenz, die mit dem vergrößerten Durchmesser
einhergeht, wird ausgeglichen durch die Verschiebung, die mit der
Längenabnahme
einhergeht. Eine ähnliche
Kompensation erfolgt bei einer Verringerung der Temperatur, wobei der
Durchmesser abnimmt und die Länge
zunimmt.
-
Ein
weiterer Ansatz ist dargestellt in dem
US-Patent mit der Nr. 5,374,911 von
Kich et al. (nachstehend „das '911-Patent"), das eine zylindrische
Filterstruktur mit mehrfachen Kavitäten offenbart, wobei eine Folge
von Querwänden
die Kavitäten
definiert. Ausgewählte
Querwände
stellen eine thermische Kompensation bereit. Jede der ausgewählten Querwände ist
aus einer bogenförmig
ausgestülpten Scheibe
hergestellt, die von einem Ring umgeben ist, der aus einem Material
mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
gebildet ist als das Material der Querwand. Innere Querwände sind
mit Blenden zum Koppeln von elektromagnetischer Leistung zwischen
aufeinanderfolgenden Kavitäten
ausgestattet. Durch Variieren der Zusammensetzung der Ringe zur
Erzielung unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten
bei den Ringen treten bei Änderungen
der Temperatur in den entsprechenden Querscheiben unterschiedliche
Maße der
bogenförmigen
Ausstülpung
auf. Demzufolge besitzt der Ring einer inneren Querwand einen relativ
großen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
verglichen mit dem Ring einer äußeren Querwand,
was zu einem geringeren Maß an
bogenförmiger
Ausstülpung
der inneren Wand und einem größeren Maß an bogenförmiger Ausstülpung der äußeren Wand
bei einer Zunahme der Umgebungstemperatur und der Temperatur des
Filters einhergeht.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform,
die in dem '911-Patent
offenbart ist, ist das Gehäuse
aus Aluminium aufgebaut, genauso wie eine zentrale ebene Querwand,
die eine Koppelblende besitzt. Die anderen Querwände, und zwar sowohl zur Rechten als
auch zur Linken der zentralen Wand, sind mit einer bogenförmig ausgestülpten Struktur
versehen, wobei die bogenförmig
ausgestülpten
Wände von metallischen
Ringen umgeben sind. Die der zentralen Wand am nächsten liegenden inneren Ringe
sind aus Titan hergestellt, und die äußeren Ringe sind aus INVAR
hergestellt. Das INVAR hat einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als Titan und demgemäß erfahren
die Umfangsabschnitt der äußeren Wände in dem
Fall einer Struktur mit vier Kavitäten bei einem Anstieg der Umgebungstemperatur
eine ausgeprägtere
bogenförmige
Ausstülpung
als die inneren Wände,
die von den Titanringen umgrenzt sind, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt.
-
Der
Grund für
die Verwendung der Ringe mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist
Folgender. Die Ablenkung bzw. Auslenkung einer inneren Wand verringert
bei einer Zunahme der Temperatur die axiale Länge einer inneren Kavität auf der inneren
Seite der Wand, wohingegen die axiale Länge einer äußeren Kavität an der gegenüberliegenden Seite
der Wand zunimmt. Demzufolge wirkt die innere Wand im Sinne einer
Stabilisierung der inneren Kavität
richtig, funktioniert jedoch im Sinne einer Stabilisierung der äußeren Wand
nicht richtig. Demzufolge ist es zum Stabilisieren der äußeren Kavität mittels
der äußeren Wand
notwendig, eine zusätzliche bogenförmige Ausstülpung bereitzustellen,
um die Bewegung der inneren Wand zu übertreffen, wodurch die äußere Kavität thermisch
stabilisiert wird.
-
Ein
Nachteil, der mit einer Resonatorstruktur einhergeht, die gemäß dem '403-Patent oder dem '911-Patent konstruiert
ist, besteht darin, dass die relativ dünne Scheibe, die für die Endwand
verwendet wird, die dazu in der Lage ist, in Antwort auf einen Anstieg
der Temperatur sich bogenförmig
auszustülpen, eine
Tendenz besitzt, quer über
die Oberfläche
der Endwand unerwünschte
thermische Gradienten zu zeigen bzw. auszubilden, was zu einer Frequenzverschiebung
führt,
wenn RF-Leistung angelegt wird.
-
Demgemäß besteht
ein Bedarf nach einer Stirnwandanordnung für einen elektromagnetischen Resonator,
die dazu konfiguriert ist, die zuvor genannten Probleme zu minimieren
oder zu eliminieren.
-
Die
obige Aufgabe wird gelöst
durch eine Stimwandanordnung, wie eingangs erwähnt, wobei der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient
wesentlich geringer ist als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient und
wobei die zweite Platte einen äußeren ringförmigen Abschnitt
aufweist, der dicker als ein innerer kreisförmiger Abschnitt hiervon.
-
Ferner
wird die obige Aufgabe gelöst
durch ein elektromagnetisches Filter, wie eingangs erwähnt, das
eine solche Stirnwandanordnung aufweist.
-
Vorzugsweise
ist die erste Platte aus Aluminium und die zweite Platte aus INVAR
hergestellt. Die zweite Platte ist vorzugsweise an dem Umfang bzw. der
Peripherie der ersten Platte verschraubt oder auf andere Art und
Weise angebracht.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein elektromagnetisches
Filter, das einen Resonator mit einem Gehäuse aufweist, eine Stirnwandanordnung
auf. Das Gehäuse definiert
eine im Wesentlichen zylindrische Kavität.
-
Eine
radiale Ausdehnung des Umfangs der ersten Platte in Antwort auf
eine erhöhte
Temperatur ist im Wesentlichen begrenzt bzw. eingeschränkt, wobei
die erste Platte dazu ausgelegt ist, sich in Antwort auf die erhöhte Temperatur
gegenüber
der zweiten Platte bogenförmig
auszustülpen,
wobei die erste und die zweite Platte dazu ausgelegt sind, sich
in Antwort auf eine erhöhte
Temperatur zu verbiegen, und zwar aufgrund eines bimetallischen
Effektes.
-
Ein
Resonator gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine optimale thermische Stabilität auf, wobei
er die Verwendung von dickeren Aluminiumplatten für die Stirnwandanordnung
gestattet, wodurch der Einfluss bzw. der Nachteil von thermischen Gradienten über der
Oberfläche
der Stirnwandanordnung reduziert wird, und wobei sich daraus ergebende
Frequenzverschiebungen reduziert werden, wenn RF-Leistung angelegt wird.
-
Die
Erfindung selbst, im Zusammenhang mit weiteren Aufgaben und einhergehenden
Vorteilen, ergibt sich am Besten unter Bezugnahme auf die nachstehende
detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.
-
1 ist
eine Teilschnittansicht in Längsrichtung
eines Hohlraumresonators mit einer Stirnwandanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
2 ist
eine Draufsicht auf die Stirnwandanordnung der 1;
-
3 ist
eine Ansicht der Stirnwandanordnung von 1 von unten
bzw. hinten; und
-
4 ist
eine der 1 vergleichbare Querschnittsansicht
der Stirnwandanordnung bei einer erhöhten Temperatur.
-
1 stellt
eine bevorzugte Ausführungsform
eines Hohlraumresonators oder Filters dar, der bzw. das generell
mit 10 bezeichnet und gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruiert ist. Der Resonator 10 weist einen Hohlleiterkörper 12 auf,
der vorzugsweise aus Aluminium hergestellt ist und eine generell rohrförmige Seitenwand 14 besitzt,
die generell um eine zentrale Achse 16 herum angeordnet
ist, und weist ein Paar von Stirnwandanordnungen auf, von denen
eine generell mit 18 bezeichnet ist. Die generell rohrförmige Seitenwand 14 des
Hohlleiterkörpers 12 definiert
eine im Wesentlichen kreiszylindrische Kavität 15. Der Hohlleiterkörper 12 beinhaltet
einen Flanschabschnitt 20 an jedem seiner Enden.
-
Die
Stirnwandanordnung 18 ist an dem Hohlleiterkörper 12 durch
beliebige geeignete Mittel festgelegt, bspw. durch Festlegen der
Stimwandanordnung 18 an dem Flanschabschnitt 20 unter
Verwendung von Schrauben (nicht gezeigt).
-
Die
Stirnwandanordnung 18 beinhaltet eine erste Platte in der
Form einer bogenförmig
ausgestülpten
bzw. gewölbten
Aluminiumplatte 22 und eine zweite Platte in der Form einer
INVAR-Scheibe 24. Die INVAR-Scheibe 24 beinhaltet
einen äußeren ringförmigen Abschnitt 30,
der relativ dick ausgebildet ist, und einen inneren kreisförmigen Abschnitt 32, der
relativ dünn
ist. Die bogenförmig
ausgestülpte Aluminiumplatte 22 ist
an ihrem Umfang an dem äußeren ringförmigen Abschnitt 30 der
INVAR-Scheibe 24 angebracht, und zwar mittels Schrauben 26 und Muttern 28.
Die Anbringung der bogenförmig
ausgestülpten
Aluminiumplatte 22 an dem äußeren ringförmigen Abschnitt 30 der
INVAR-Scheibe 24 kann auf alternative Art und Weise erzielt
werden, bspw. durch Diffusionsbonden, durch eutektisches Löten/Hartlöten, durch
Reibschweißen
oder durch Schweißen.
-
Die
Konfiguration der Stirnwandanordnung 18 bei einer erhöhten Temperatur
ist in 4 gezeigt. Die bogenförmig ausgestülpte bzw.
gewölbte
Aluminiumplatte 22 weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, der höher
ist (und zwar um einen Multiplikationsfaktor von etwa zehn) als
der Wärmeausdehnungskoeffizient
der INVAR-Scheibe 24. Als ein Ergebnis der Anbringung des
Umfanges der bogenförmig
ausgestülpten
Aluminiumplatte 22 an dem äußeren ringförmigen Abschnitt 30 der
INVAR-Scheibe 24 kann sich die Umfangsregion der bogenförmig ausgestülpten Aluminiumplatte 22 mit
zunehmender Umgebungstemperatur nur leicht ausdehnen, wohingegen
der zentrale Abschnitt der bogenförmig ausgestülpten Aluminiumplatte 22 frei
ist, sich auszudehnen, und zwar mit einer sich hieraus ergebenden
zunehmenden bogenförmigen
Ausstülpung
der bogenförmig
ausgestülpten
Aluminiumplatte 22 aufgrund eines „Öldosen"-Effektes. Diese vergrößerte bogenförmige Ausstülpung der
bogenförmig
ausgestülpten Aluminiumplatte 22 wird
durch die Fähigkeit
der INVAR-Scheibe 24 verstärkt bzw. verbessert, sich auch aufgrund
eines thermisch induzierten Biegemomentes zu verbiegen, das sich
aus der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der INVAR-Scheibe 24 und der bogenförmig ausgestülpten Aluminiumplatte 22 ergibt
(d.h. ein bimetallischer Effekt).
-
Aufgrund
dieser verbesserten bogenförmigen
Ausstülpung
der bogenförmig
ausgestülpten
Aluminiumplatte 22 kann die bogenförmig ausgestülpte Aluminiumplatte 22 eine
größere Dicke
(z.B. erhöht um
etwa 100 %) besitzen, und zwar verglichen mit der Dicke, die erforderlich
wäre, wenn
die bogenförmig
ausgestülpte
Aluminiumplatte 22 an einem INVAR- oder Titan-Ring angebracht
wäre (wie
in dem '911-Patent
von Kich et al.), wodurch die Stärke
von thermischen Gradienten quer über
die Oberfläche der
Stirnwandanordnung verringert wird und folglich sich daraus ergebende
Frequenzverschiebungen reduziert werden, wenn RF-Leistung angelegt
wird. Der gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierte Resonator 10 kann einen wirksamen
Gesamtausdehnungskoeffizienten für
die Kavität 15 aufrechterhalten,
der etwa ein Drittel von jenem eines Resonators beträgt, der
vollständig
aus INVAR hergestellt ist.
-
Bei
einer Verringerung der Umgebungstemperatur tritt der gegenteilige
Effekt auf, und zwar eine verringerte bogenförmige Ausstülpung der bogenförmig ausgestülpten Platte 22.
Obgleich der äußere ringförmige Abschnitt 30 der
INVAR-Scheibe 24 dicker ist als der innere kreisförmige Abschnitt 32,
ist der äußere ringförmige Abschnitt 30 wesentlich
dünner
als der INVAR-Ring, der in dem '911-Patent
von Kich et al. offenbart ist.
-
Hohlraumresonatoren,
die zwei oder mehr Kavitäten
bzw. Hohlräume
verwenden, sind allgemein bekannt und befinden sich innerhalb der
Sphäre bzw.
des Anwendungsbereiches der Erfindung. Derartige Resonatoren verwenden
eine geeignete Anzahl von Koppelblenden bzw. Irisen, um das Gehäuseinnere
wirksam in die gewünschte
Anzahl von Kavitäten
mit geeigneten Abmessungen zu unterteilen.
-
Obgleich
die vorliegende Erfindung in Bezug auf bestimmte Beispiele beschrieben
worden ist, versteht sich für
Fachleute, dass Änderungen,
Zusätze und/oder
Weglassungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden
können,
ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er durch
die beigefügten
Ansprüche
definiert ist. Beispielsweise kann die Form des Hohlraums 15 im Querschnitt
rechteckförmig
oder elliptisch sein anstelle einer kreisförmigen Gestalt, ohne den Schutzbereich
der Erfindung zu verlassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist.