EP1112603B1 - Abstimmbarer hohlraumresonator - Google Patents

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EP1112603B1
EP1112603B1 EP99944392A EP99944392A EP1112603B1 EP 1112603 B1 EP1112603 B1 EP 1112603B1 EP 99944392 A EP99944392 A EP 99944392A EP 99944392 A EP99944392 A EP 99944392A EP 1112603 B1 EP1112603 B1 EP 1112603B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cavity resonator
adjustment device
resonator
tunable
spring
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP99944392A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1112603A1 (de
Inventor
Indra Ghosh
Norbert Klein
Ulrich Poppe
Klaus Schieber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Tesat Spacecom GmbH and Co KG
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Tesat Spacecom GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH, Tesat Spacecom GmbH and Co KG filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1112603A1 publication Critical patent/EP1112603A1/de
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Publication of EP1112603B1 publication Critical patent/EP1112603B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06—Cavity resonators

Definitions

  • the invention relates to a tunable cavity resonator according to the preamble of claim 1. Further relates the invention a tunable microwave oscillator, who uses such a cavity resonator.
  • Tunable cavity resonators come i.a. in microwave oscillators used for generating carrier signals used in microwave communication become.
  • Such oscillators essentially exist from a microwave amplifier operated in feedback is, and a cavity resonator of high quality, the is in the feedback branch of the oscillator and filter the phase noise generated in the amplifier.
  • a microwave oscillator uses a mechanical or electrical phase shifter for adjusting the phase condition in the feedback branch and a high frequency coupler for coupling out the Useful signal (carrier signal).
  • the setting of the oscillator frequency takes place in two stages: For coarse adjustment, first the resonance frequency the tunable cavity resonator in suitable Way changed. This is done by means of the adjusting device, by which the position of the Abstimmulation opposite the Resonator emotions is adjusted. For fine adjustment of Oscillator frequency is then using the phase shifter by adjusting the phase in the feedback branch of the Oscillator the oscillator frequency within the resonance width of the tuned cavity resonant targeted postponed.
  • a difficulty in such a two-stage tuning of an oscillator results from the fact that the achievable by the phase adjustment maximum frequency deviation is relatively small and at Resonatorgüten above 10 4 (ie, Q> 10 4 ), for example, only about 100 kHz.
  • complete tunability of the microwave oscillator can only be achieved if the minimum frequency change ⁇ R (min) achievable in the resonant frequency tuning (ie the tuning of the cavity resonator) is less than the maximum frequency swing mentioned with variation of the phase in the feedback branch of the oscillator.
  • cavity resonators are required with an extremely high tuning accuracy.
  • the invention is based on the object, a cavity resonator to create a high setting accuracy with respect to its resonant frequency.
  • a cavity resonator is to be provided which has a high quality and yet when used in a Microwave oscillator full tunability the same allows.
  • the invention aims at it from, a fully tunable microwave oscillator to provide a cavity resonator high quality.
  • the first spring element is formed from at least one plate spring and the second spring element of a circumferentially fixed, from the plate spring centrally acted diaphragm is realized.
  • Such a spring mechanism leaves to be rigid enough to withstand external shocks or vibration insensitive. Furthermore, suitable plate and plate springs with the required high spring constant easily manufactured become.
  • the adjusting device preferably consists of a particular manually operable mechanical actuator and a mechanical actuator downstream of the first electromechanical actuator, in particular first piezoelectric element.
  • the first electromechanical actuator allows an electrical control of the adjusting device, which is particularly advantageous if the adjusting device is operated in a control loop operation for adjusting the resonance frequency ⁇ R.
  • the electromechanical actuator can also be used, for example, to compensate for temperature-induced drifts and, moreover, make operation of the mechanical actuator superfluous in a limited stroke range.
  • the tuning disk is made of a dielectric material, in particular sapphire.
  • a tuning plate has very low dielectric losses especially at low temperatures, resulting in a high Q ⁇ 10 7 of the cavity resonator (defined as the product of the resonance frequency ⁇ R of the quotient of the data stored in the resonator field energy and in the resonator can be achieved power dissipation).
  • variable position Shims also around a wall element (For example, ceiling wall) of the cavity resonator act.
  • a wall element for example, ceiling wall
  • the dielectric body is arranged in the resonator body.
  • a dielectric body is provided, and that the tuning disk within the resonator body at a small distance d to a flat surface the dielectric body is arranged.
  • a Construction is a major part of the field energy in the stored dielectric body, wherein by means of a Position change of the tuning disc a sensitive change reach the resonant frequency of the cavity resonator is.
  • the dielectric body When using a dielectric body is a Another structurally advantageous realization variant in it, the dielectric body on one by means of a second electromechanical actuator, in particular second piezoelectric element in its height variable lifting floor to install. This way can be done without big Effort a desired Nominal- or output distance between the tuning plate and the flat surface of the dictate the dielectric body, which then through the Control device according to the invention with downstream Translation mechanism in a suitable manner fine-adjusted becomes.
  • Fig. 1 shows a cavity resonator 1 in Zylinderbäuweise with a resonant frequency ⁇ R in the GHz range.
  • the cavity resonator 1 has a circular disk-shaped bottom plate 2, a cylindrical peripheral wall 3 and a top wall 4.
  • the resonator wall elements 2, 3 and 4 are made of a metal of good electrical conductivity such as Cu or a HTSC material and define a cavity 5 in its interior.
  • the bottom plate 2 has distributed over its circumference Through holes 6, which of threaded screws. 7 are passed, by means of which the bottom plate 2 at a bottom-side flange 8 of the peripheral wall 3 fixed is. Between the bottom plate 2 and the flange 8 is an annular disk-shaped spacer 9 predetermined Strength and above a circular disc-shaped lifting bottom 10 arranged.
  • the multi-layer piezoelectric element 11 has a maximum stroke of a few microns, which transmitted to the lifting floor 10 can be and a central bulge of the same causes.
  • the dielectric cylinder 30 consists of a dielectric material with a high Dielectric constant ⁇ (for example, sapphire) and is coaxial with the peripheral wall 3 of the cavity resonator 1 arranged.
  • the input and output antennas 13a, 13b are each formed as a coaxial cable with end Coaxial grinding executed.
  • the top wall 4 of the cavity 1 is by means of a annular disc-shaped spacer 14 preset Strength of a ceiling-side flange 15 of the peripheral wall 3 spaced and in a similar manner as the bottom wall 2 through through holes 16 passing through threaded screws 17 fixed to the ceiling-side flange 15.
  • a formed in the form of a thin, metallic disc Plate spring 18 is at the edge between the annular disk-shaped spacer element 14 and the ceiling wall 4 fixed.
  • the plate spring 18 limited in her central area an existing in the ceiling wall 4, cylindrical spring receiving space 19.
  • the spring receiving space 19 contains three in the example shown here superimposed disc springs 20 which surround a central Guide element 21 stored around and bottom side are supported on the plate spring 18.
  • a micrometer screw 22 which consists of a fixed to the ceiling wall 4 Screw 21 and one in one Fine thread guided rotary member 24 consists.
  • the rotary member 24 loaded with a bottom-side projecting adjusting pin 24a the upper end of one in a central hole of the screw 23 guided punch 25, the lower End of acting on the upper plate spring 20 first Multilayer piezoelectric element 26 acted upon.
  • the movement path is transmitted to the first multi-layer piezoelectric element 26 and can additionally be changed, ie shortened or extended, by the latter.
  • the output side of the first multi-layer piezoelectric element 26 occurring linear stroke .DELTA.x 1 acts on the uppermost plate spring 20 and compresses them.
  • the plate springs 20 press on the plate spring 18 and deflect it in its central region by a deflection .DELTA.x 2 . Due to the opposing force exerted by the plate spring 18, the output-side deflection path ⁇ x 2 is smaller than the input-side linear displacement ⁇ x 1 .
  • the reduction of the deflection path .DELTA.x 2 with respect to .DELTA.x 1 is determined by the spring constant k 1 of the disc spring stack and the spring constant k 2 of the plate spring 18.
  • a tuning plate 28 is attached via a stem 27.
  • the Abstimmsay 28 extends parallel and at a small distance d to a flat surface 29 of the dielectric cylinder 30.
  • the tuning plate 28 also displaced by .DELTA.x 2 , so that a previously set Distance d between the tuning disk 28 and the cylindrical body 30 is shortened to d- ⁇ x 2 .
  • Fig. 2 shows in the form of a block diagram of the principal Structure of a microwave oscillator, the in Fig. 1 shown cavity resonator 1 used.
  • Amplifier signal 41 of an amplifier 40 becomes a high frequency coupler 42 supplied.
  • the high frequency coupler 42 coupled from the amplifier signal 41, on the one hand, a useful signal 43 and passes the amplifier signal 41 on the other hand to the cavity resonator 1 on.
  • the coupling of the amplifier signal 41 in the cavity 1 takes place via the input antenna 13a.
  • an output signal 44th decoupled from the cavity 1 and an electrical or mechanically actuated phase shifter 45 is supplied, which for adjusting the phase condition in the feedback branch 41, 42, 1, 44, 45 is provided.
  • the phase-shifted generated by the phase shifter 45 Feedback signal 46 is fed to the amplifier 40.
  • the microwave oscillator can only be continuously tuned when the cavity resonator 1 reaches a required setting accuracy of the resonance frequency ⁇ R of about 100 kHz or less. It is unfavorable that the tuning slope ⁇ R / ⁇ x 2 of a cavity resonator increases proportionally with its quality Q. In the case of resonators 1 with comparatively low quality (Q ⁇ 10 4 ), a typical tuning slope of 10 kHz / ⁇ m is observed. This means that the setting accuracy of the tuning mechanism with respect to the achievable positional accuracy of the tuning plate 28 must be only about 10 microns in order to achieve the required tuning accuracy ⁇ R of the resonant frequency of 100 kHz.
  • the tuning slope is at a quality of Q ⁇ 10 7 already 10 3 kHz / micron.
  • a quality of Q ⁇ 10 7 can be achieved with the cavity resonator 1 according to the invention by cooling it to approximately 77K, because in this way the so-called whispering gallery modes can significantly reduce the dielectric losses occurring in the dielectric cylinder 30.
  • the tuning mechanism of the cavity 1 In order to achieve continuous tunability of a microwave oscillator with the cooled cavity 1, the tuning mechanism of the cavity 1 must then have a setting accuracy of 0.1 ⁇ m.
  • the translation mechanism 18, 20 shown in FIG. 1 allows (when using a micrometer screw 22 a setting accuracy of 50 microns per revolution) such a setting accuracy and thus allows the realization of a fully tunable microwave oscillator with a cavity resonator 1 Q ⁇ 10 7 .
  • the high setting accuracy of the tuning mechanism 22, 20, 18 is based in addition to the reduction of the invention Movement path through the translation mechanism 18, 20 also because of the construction of the translation mechanism 18, 20 of successively connected spring elements in this virtually no movement occurs. Thereby also a high reproducibility of the Setting position allows.
  • the first and second multilayer piezoelectric elements 26, 11 can also be used for electrical adjustment of the resonant frequency ⁇ R.
  • the first multilayer piezoelectric element 26 causes a movement of the tuning disk 28 relative to the stationary dielectric cylinder 30, while an operation of the second multilayer piezoelectric element 11 results in a movement of the dielectric cylinder 30 relative to the stationary tuning disk 28.
  • the first multi-layer piezoelectric element 26 connected upstream of the transmission mechanism 18, 20 makes possible a very precise electrical fine adjustment of the resonance frequency ⁇ R and is therefore particularly suitable as an actuator for controlling the resonance frequency ⁇ R in a closed loop operation.
  • Fig. 3 is a diagram illustrating the tuning behavior of the oscillator shown in Fig. 2 under the following exemplary conditions:
  • the tuning disk 28 is made of sapphire and has a thickness of 0.5 mm. The tuning takes place at a frequency of 23 GHz.
  • the y-axis shown in the left-hand image area of FIG. 3 shows the change in the oscillator frequency ⁇ f as a function of the linear stroke ⁇ x 2 of the tuning disk 28 plotted on the x-axis.
  • a variation of the linear stroke ⁇ x 2 of 0.75 mm corresponds to a frequency change of 45 MHz.
  • the quality Q of the cavity resonator 1, which is plotted on the y axis shown in the right-hand image area of FIG. 3, is largely constant over the entire tuning range of the microwave oscillator and in the example shown here is Q> 2 ⁇ 10 6 . In this case, virtually no degradation of the quality of the cavity resonator 1 occurs during a setting process.

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft einen abstimmbaren Hohlraumresonator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen abstimmbaren Mikrowellenoszillator, der einen derartigen Hohlraumresonator verwendet.
Abstimmbare Hohlraumresonatoren kommen u.a. in Mikrowellenoszillatoren zum Einsatz, die zur Erzeugung von Trägersignalen in der Mikrowellenkommunikation verwendet werden. Derartige Oszillatoren bestehen im wesentlichen aus einem Mikrowellenverstärker, der in Rückkopplung betrieben wird, und einem Hohlraumresonator hoher Güte, der sich in dem Rückkopplungszweig des Oszillators befindet und das in dem Verstärker generierte Phasenrauschen filtert. Außerdem verwendet ein solcher Mikrowellenoszillator einen mechanischen oder elektrischen Phasenschieber zur Einstellung der Phasenbedingung in dem Rückkopplungszweig und einen Hochfrequenzkoppler zur Auskopplung des Nutzsignals (Trägersignals).
Die Einstellung der Oszillatorfrequenz erfolgt zweistufig: Zur Grobeinstellung wird zunächst die Resonanzfrequenz des abstimmbaren Hohlraumresonators in geeigneter Weise verändert. Dies erfolgt mittels der Stelleinrichtung, durch die die Lage der Abstimmscheibe gegenüber dem Resonatorkörper verstellt wird. Zur Feineinstellung der Oszillatorfrequenz wird dann mittels des Phasenschiebers durch ein Verstellen der Phase im Rückkopplungszweig des Oszillators die Oszillatorfrequenz innerhalb der Resonanzbreite des abgestimmten Hohlraumresonators gezielt verschoben.
Eine Schwierigkeit bei einer solchen zweistufigen Abstimmung eines oszillators resultiert daraus, daß der durch die Phasenverstellung erreichbare maximale Frequenzhub relativ klein ist und bei Resonatorgüten oberhalb 104 (d.h. Q > 104) beispielsweise nur etwa 100 kHz beträgt. Eine vollständige Durchstimmbarkeit des Mikrowellenoszillators kann jedoch nur dann erreicht werden, wenn die bei der Resonanzfrequenzabstimmung (d.h. der Abstimmung des Hohlraumresonators) erreichbare minimale Frequenzänderung ΔωR(min) kleiner als der angesprochene maximale Frequenzhub bei Variation der Phase im Rückkopplungszweig des Oszillators ist. Um diese Forderung zu erfüllen, werden Hohlraumresonatoren mit einer extrem hohen Abstimmgenauigkeit benötigt.
Dabei ist zu berücksichtigen, daß sich mit zunehmender Güte Q eines Hohlraumresonators die Anforderungen an die Einstellgenauigkeit des Abstimmechanismus zur Erzielung einer vorgegebenen Abstimmgenauigkeit erhöhen.
In der Praxis treten daher häufig Schwierigkeiten hinsichtlich der konstruktiven Auslegung des Abstimmechanismus auf, und es hat sich gezeigt, daß die gewünschten hohen Einstellgenauigkeiten in Verbindung mit den erforderlichen Vibrationsfestigkeiten und einer guten Reproduzierbarkeit der Abstimmeinstellung nicht immer erreicht werden.
In der Veröffentlichung "Temperature compensated high-Q dielectric resonators for long term stable low phase noise oscillators", Proceedings of the 1997 Frequency Control Symposium, I. S. Ghosh et al., Seiten 1024 - 1029 ist ein abstimmbarer Hohlraumresonator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben. Dieser Hohlraumresonator erfüllt bei einer Güte Q ≈ 105 die für eine kontinuierliche Durchstimmbarkeit eines Mikrowellenoszillators erforderlichen Anforderungen an die Abstimmgenauigkeit.
Aus der DE 1 687 622 ist eine Vorrichtung zur Abstandseinstellung zwischen einem feststehenden und einem bewegbaren Wandungsteil eines Hohlraumresonators bekannt, wobei an dem feststehenden Wandungsteil ein Hebel drehbar angeordnet ist, der über ein Lager mit dem bewegbaren wandungsteil in Eingriff steht. Über einen konusförmig auslaufenden Abschnitt wird der Hebel verstellt. Hierdurch wird die wand des Hohlraumresonators bewegt, um die Frequenz des Resonators zu verstimmen. Der lineare Hub, welcher der Hebel an seinem freien Ende durchläuft, wird an der Wand des Resonators in einen reduzierten Linearhub übersetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlraumresonator zu schaffen, der eine hohe Einstellgenauigkeit in bezug auf seine Resonanzfrequenz aufweist. Insbesondere soll ein Hohlraumresonator bereitgestellt werden, der eine hohe Güte aufweist und dennoch beim Einsatz in einem Mikrowellenoszillator eine vollständige Durchstimmbarkeit desselben ermöglicht. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, einen vollständig durchstimmbaren Mikrowellenoszillator mit einem Hohlraumresonator hoher Güte zu schaffen.
Zur Lösung der Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 vorgesehen.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Übersetzungsmechanik wird erreicht, daß bei einer Betätigung der Stelleinrichtung nicht der von der Stelleinrichtung erzeugte Linearhub, sondern ein gegenüber diesem reduzierter Linearhub die Abstimmscheibe verstellt. Dies hat zur Folge, daß die mit der Stelleinrichtung erreichbare Minimalhubänderung in eine noch kleinere, auf die Abstimmscheibe wirkende Minimalhubänderung transformiert wird. Im Ergebnis wird die Einstellgenauigkeit der Abstimmscheibe verglichen mit der Einstellgenauigkeit der Stelleinrichtung um das vorgegebene Verhältnis der Übersetzungsmechanik erhöht. Dabei wird das vorgegebene Verhältnis (d. h. das Übersetzungsverhältnis) durch die Federkonstanten der beiden Federelemente bestimmt. Die Verwendung zweier gegeneinander drückender Federelemente weist den Vorteil auf, daß die Übersetzungsmechanik kontinuierlich und in hohem Maße frei von Bewegungsspiel arbeitet.
In diesem Fall kennzeichnet sich eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante dadurch, daß das erste Federelement aus wenigstens einer Tellerfeder gebildet ist und das zweite Federelement von einer umfangsseitig fixierten, von der Tellerfeder zentral beaufschlagten Plattenfeder realisiert wird. Eine solche Federmechanik läßt sich ausreichend starr auslegen, um gegenüber äußeren Erschütterungen bzw. Vibrationen unempfindlich zu sein. Ferner können geeignete Teller- und Plattenfedern mit den erforderlichen hohen Federkonstanten problemlos hergestellt werden.
Die Stelleinrichtung besteht vorzugsweise aus einem insbesondere manuell betätigbaren, mechanischen Stellglied und einem dem mechanischen Stellglied nachgeschalteten ersten elektromechanischen Stellglied, insbesondere ersten Piezoelement. Das erste elektromechanische Stellglied ermöglicht eine elektrische Ansteuerung der Stelleinrichtung, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Stelleinrichtung in einem Regelschleifenbetrieb zur Einstellung der Resonanzfrequenz ωR betrieben wird. Das elektromechanische Stellglied kann beispielsweise auch zur Kompensation von temperaturbedingten Drifts eingesetzt werden und kann darüber hinaus in einem begrenzten Hubbereich eine Betätigung des mechanischen Stellglieds überflüssig machen.
Vorzugsweise besteht die Abstimmscheibe aus einem dielektrischen Material, insbesondere Saphir. Eine derartige Abstimmscheibe weist vor allem bei tiefen Temperaturen sehr geringe dielektrische Verluste auf, wodurch sich eine hohe Güte Q ≈ 107 des Hohlraumresonators (definiert als das Produkt der Resonanzfrequenz ωR mit dem Quotienten aus der in dem Resonator gespeicherten Feldenergie und der in dem Resonator auftretenden Verlustleistung) erzielen läßt.
Grundsätzlich kann es sich bei der erfindungsgemäßen, lageveränderlichen Abstimmscheibe auch um ein Wandelement (beispielsweise Deckenwand) des Hohlraumresonators handeln. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich jedoch dadurch, daß in dem Resonatorkörper ein dielektrischer Körper vorgesehen ist, und daß die Abstimmscheibe innerhalb des Resonatorkörpers unter einem geringen Abstand d zu einer ebenen Oberfläche des dielektrischen Körpers angeordnet ist. Bei einer derartigen Bauweise ist ein Großteil der Feldenergie in dem dielektrischen Körper gespeichert, wobei mittels einer Lageveränderung der Abstimmscheibe eine feinfühlige Änderung der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators erreichbar ist.
Bei Verwendung eines dielektrischen Körpers besteht eine weitere konstruktiv vorteilhafte Realisierungsvariante darin, den dielektrischen Körper auf einem mittels eines zweiten elektromechanischen Stellglieds, insbesondere zweiten Piezoelements in seiner Höhe veränderlichen Hubboden anzubringen. Auf diese Weise läßt sich ohne großen Aufwand ein gewünschter Nominal- oder Ausgangsabstand zwischen der Abstimmscheibe und der ebenen Oberfläche des dielektrischen Körpers vorgeben, welcher dann durch die erfindungsgemäße Stelleinrichtung mit nachgeschalteter Übersetzungsmechanik in geeigneter Weise feinjustiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt:
Fig. 1:
eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Hohlraumresonators;
Fig. 2:
ein Blockschaltbild eines den in Fig. 1 gezeigten Hohlraumresonator verwendenden Mikrowellenoszillators; und
Fig. 3
ein Schaubild, in dem die Änderung der Oszillatorfrequenz Δf als Funktion der Lageänderung Δx2 der Abstimmscheibe dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt einen Hohlraumresonator 1 in Zylinderbäuweise mit einer Resonanzfrequenz ωR im GHz-Bereich. Der Hohlraumresonator 1 weist eine kreisscheibenförmige Bodenplatte 2, eine zylindrische Umfangswand 3 und eine Deckenwand 4 auf. Die Resonator-Wandelemente 2, 3 und 4 bestehen aus einem Metall guter elektrischer Leitfähigkeit wie beispielsweise Cu oder einem HTSL-Material und definieren in ihrem Inneren einen Hohlraum 5.
Die Bodenplatte 2 weist über ihren Umfang verteilte Durchgangsbohrungen 6 auf, welche von Gewindeschrauben 7 durchlaufen werden, mittels denen die Bodenplatte 2 an einem bodenseitigen Flansch 8 der Umfangswand 3 festgelegt ist. Zwischen der Bodenplatte 2 und dem Flansch 8 ist ein ringscheibenförmiges Abstandselement 9 vorgegebener Stärke und darüber ein kreisscheibenförmiger Hubboden 10 angeordnet.
Im zentralen Bereich zwischen der Bodenplatte 2 und dem Hubboden 10 befindet sich ein Mehrschicht-Piezoelement 11. Das Mehrschicht-Piezoelement 11 weist einen Maximalhub von einigen µm auf, welcher auf den Hubboden 10 übertragen werden kann und eine zentrale Auswölbung desselben herbeiführt.
Im zentralen Bereich oberhalb des Mehrschicht-Piezoelements 11 ist auf dem Hubboden 10 ein dielektrisches Sockelelement 12 angeordnet, das einen dielektrischen Zylinder 30 trägt. Der dielektrische Zylinder 30 besteht aus einem dielektrischen Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ε (beispielsweise Saphir) und ist koaxial mit der Umfangswand 3 des Hohlraumresonators 1 angeordnet.
Durch die zylindrische Umfangswand 3 hindurch ragen in den Hohlraum 5 eine Einkoppelantenne 13a und eine Auskoppelantenne 13b hinein. Die Ein- und Auskoppelantennen 13a, 13b sind jeweils als Koaxialkabel mit endseitig ausgebildeten Koaxialschleifen ausgeführt.
Die Deckenwand 4 des Hohlraumresonators 1 ist mittels eines ringscheibenförmigen Abstandselements 14 vorgegebener Stärke von einem deckenseitigen Flansch 15 der Umfangswand 3 beabstandet und in ähnlicher Weise wie die Bodenwand 2 über Durchgangsbohrungen 16 durchsetzende Gewindeschrauben 17 an dem deckenseitigen Flansch 15 fixiert.
Durch die Verwendung von Abstandselementen 9, 14 mit variablen Stärken kann eine verhältnismäßig grobe Voreinstellung der Resonanzfrequenz ωR des Hohlraumresonators 1 vorgenommen werden.
Eine in Form einer dünnen, metallischen Scheibe ausgebildete Plattenfeder 18 ist randseitig zwischen dem ringscheibenförmigen Abstandselement 14 und der Deckenwand 4 fixiert. Die Plattenfeder 18 begrenzt in ihrem zentralen Bereich einen in der Deckenwand 4 vorhandenen, zylinderförmigen Federaufnahmeraum 19. Der Federaufnahmeraum 19 enthält in dem hier dargestellten Beispiel drei übereinander angeordnete Tellerfedern 20, die um ein zentrales Führungselement 21 herum gelagert und bodenseitig an der Plattenfeder 18 abgestützt sind.
Oberhalb der Deckenwand 4 befindet sich eine Mikrometerschraube 22, die aus einem fest mit der Deckenwand 4 verbundenen Schraubenfutter 23 und einem darin in einem Feingewinde geführten Drehglied 24 besteht. Das Drehglied 24 beaufschlagt mit einem bodenseitig vorstehenden Stellstift 24a das obere Ende eines in einer Zentralbohrung des Schraubenfutters 23 geführten Stempels 25, dessen unteres Ende ein auf die obere Tellerfeder 20 wirkendes erstes Mehrschicht-Piezoelement 26 beaufschlagt.
Bei einer Verstellung des Drehgliedes 24 wird der Stempel 25 mit hoher Einstellgenauigkeit (beispielsweise 50 µm pro Umdrehung) in Axialrichtung bewegt. Der Bewegungsweg wird auf das erste Mehrschicht-Piezoelement 26 übertragen und kann von diesem zusätzlich verändert, d.h. verkürzt oder verlängert werden. Der ausgangsseitig des ersten Mehrschicht-Piezoelements 26 auftretende Linearhub Δx1 wirkt auf die oberste Tellerfeder 20 und komprimiert diese. Die Tellerfedern 20 drücken auf die Plattenfeder 18 und lenken diese in ihrem zentralen Bereich um einen Auslenkungsweg Δx2 aus. Aufgrund der von der Plattenfeder 18 ausgeübten Gegenkraft ist der ausgangsseitige Auslenkungsweg Δx2 kleiner als der eingangsseitige Linearhub Δx1. Die Reduzierung des Auslenkungswegs Δx2 bezüglich Δx1 wird durch die Federkonstante k1 des Tellerfederstapels und die Federkonstante k2 der Plattenfeder 18 bestimmt.
Bei gleichen Federkonstanten k1 = k2 wird eine Bewegungswegverkürzung um den Faktor 2 erzielt.
An der von dem Federaufnahmeraum 19 abgewandten Seite der Plattenfeder 18 ist über einen Stiel 27 eine Abstimmscheibe 28 angebracht. Die Abstimmscheibe 28 erstreckt sich parallel und unter einem kleinen Abstand d zu einer ebenen Oberfläche 29 des dielektrischen Zylinders 30. Bei einer zentralen Auslenkung Δx2 der Plattenfeder 18 in bodenseitiger Richtung verlagert sich die Abstimmscheibe 28 ebenfalls um Δx2, so daß sich ein zuvor eingestellter Abstand d zwischen der Abstimmscheibe 28 und dem zylindrischen Körper 30 auf d-Δx2 verkürzt.
Fig. 2 zeigt in Form eines Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau eines Mikrowellenoszillators, der den in Fig. 1 dargestellten Hohlraumresonator 1 verwendet. Ein Verstärkersignal 41 eines Verstärkers 40 wird einem Hochfrequenzkoppler 42 zugeführt. Der Hochfrequenzkoppler 42 koppelt aus dem Verstärkersignal 41 einerseits ein Nutzsignal 43 aus und leitet das Verstärkersignal 41 andererseits zu dem Hohlraumresonator 1 weiter. Die Einkopplung des Verstärkersignals 41 in den Hohlraumresonator 1 erfolgt über die Eingangsantenne 13a.
Über die Ausgangsantenne 13b wird ein Ausgangssignal 44 aus dem Hohlraumresonator 1 ausgekoppelt und einem elektrisch oder mechanisch betätigbaren Phasenschieber 45 zugeführt, welcher zur Einstellung der Phasenbedingung in dem Rückkopplungszweig 41, 42, 1, 44, 45 vorgesehen ist. Das von dem Phasenschieber 45 erzeugte phasenverschobene Rückkoppelsignal 46 wird in den Verstärker 40 eingespeist.
Wie bereits erwähnt, kann der Mikrowellenoszillator nur dann kontinuierlich durchgestimmt werden, wenn der Hohlraumresonator 1 eine geforderte Einstellgenauigkeit der Resonanzfrequenz ΔωR von etwa 100 kHz oder weniger erreicht. Ungünstig ist dabei, daß die Abstimmsteilheit ΔωR/Δx2 eines Hohlraumresonators proportional mit seiner Güte Q zunimmt. Bei Resonatoren 1 mit vergleichsweise geringer Güte (Q ≈ 104) wird eine typische Abstimmsteilheit von 10 kHz/µm beobachtet. Dies bedeutet, daß die Einstellgenauigkeit des Abstimmechanismus in Hinblick auf die erreichbare Lagegenauigkeit der Abstimmscheibe 28 nur etwa 10 µm betragen muß, um die geforderte Abstimmgenauigkeit ΔωR der Resonanzfrequenz von 100 kHz zu erreichen.
Demgegenüber beträgt die Abstimmsteilheit bei einer Güte von Q ≈ 107 bereits 103 kHz/µm. Eine Güte von Q ≈ 107 läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Hohlraumresonator 1 durch eine Kühlung desselben auf etwa 77K erzielen, weil sich für sogenannte Whispering-Gallery-Moden auf diese Weise die in dem dielektrischen Zylinder 30 auftretenden dielektrischen Verluste deutlich reduzieren lassen. Um eine kontinuierliche Durchstimmbarkeit eines Mikrowellenöszillators mit dem gekühlten Hohlraumresonator 1 zu erreichen, muß der Abstimmechanismus des Hohlraumresonators 1 dann eine Einstellgenauigkeit von 0,1 µm aufweisen.
Die in Fig. 1 dargestellten Übersetzungsmechanik 18, 20 ermöglicht (bei Verwendung einer Mikrometerschraube 22 einer Einstellgenauigkeit von 50 µm pro Umdrehung) eine derartige Einstellgenauigkeit und gestattet somit die Realisierung eines vollständig durchstimmbaren Mikrowellenoszillators mit einem Hohlraumresonator 1 der Güte Q ≈ 107.
Die hohe Einstellgenauigkeit des Abstimmechanismus 22, 20, 18 beruht neben der erfindungsgemäßen Reduzierung des Bewegungsweges durch die Übersetzungsmechanik 18, 20 auch darauf, daß aufgrund der Konstruktion der Übersetzungsmechanik 18, 20 aus hintereinander geschalteten Federelementen in dieser praktisch kein Bewegungsspiel auftritt. Dadurch wird auch eine hohe Reproduzierbarkeit der Einstellungsposition ermöglicht.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Abstimmechanismus 22, 20, 18 ist seine mechanische Stabilität und Vibrationsfestigkeit insbesondere bei verhältnismäßig niedrigen Anregungsfrequenzen (< 1 kHz). Diese beruht neben der bereits erwähnten robusten und im wesentlichen spielfreien Konstruktion der Übersetzungsmechanik 18, 20 zum einen auf den hohen mechanischen Eigenfrequenzen der Plattenfeder 18 und zum anderen auf den hohen Kräften, die aufgewendet werden müssen, um diese aüszulenken (beispielsweise ist k2 = 5000 N/mm). Dadurch wird eine ausgesprochen geringe Mikrophonieanfälligkeit erreicht und es ist sogar möglich, den Hohlraumresonator 1 mittels eines kommerziellen Kleinkühlers 1 zu kühlen, ohne daß ein Übersprechen der Kühlervibrationen in das Resonanzfrequenzspektrum beobachtet wird.
Vorzugsweise können auch die ersten und zweiten Mehrschicht-Piezoelemente 26, 11 zur elektrischen Einstellung der Resonanzfrequenz ωR verwendet werden. Das erste Mehrschicht-Piezoelement 26 bewirkt dabei eine Bewegung der Abstimmscheibe 28 relativ zu dem ortsfesten dielektrischen Zylinder 30, während ein Betrieb des zweiten Mehrschicht-Piezoelements 11 eine Bewegung des dielektrischen Zylinders 30 relativ zu der ortsfesten Abstimmscheibe 28 zur Folge hat. Dabei ermöglicht insbesondere das der Übersetzungsmechanik 18, 20 vorgeschaltete erste Mehrschicht-Piezoelement 26 eine sehr genaue elektrische Feineinstellung der Resonanzfrequenz ωR und eignet sich deshalb in besonderem Maße als Stellglied zur Regelung der Resonanzfrequenz ωR in einem Regelschleifenbetrieb.
In Fig. 3 ist ein Diagramm dargestellt, das das Abstimmverhalten des in Fig. 2 gezeigten Oszillators unter den folgenden beispielhaften Bedingungen verdeutlicht: Der Hohlraumresonator 1 ist auf eine Temperatur von 77K gekühlt und weist einen dielektrischen Zylinder 30 aus Saphir auf. Es wird eine Mikrometerschraube 22 mit einem Hub von 50 µm pro Umdrehung, drei Tellerfedern 20 und eine 1 mm starke Plattenfeder 18 (k2 = 5000 N/mm) verwendet. Die Abstimmscheibe 28 besteht aus Saphir und weist eine Dicke von 0,5 mm auf. Die Abstimmung erfolgt bei einer Frequenz von 23 GHz.
Auf der im linken Bildbereich der Fig. 3 dargestellten y-Achse ist die Änderung der Oszillatorfrequenz Δf als Funktion des auf der x-Achse aufgetragenen Linearhubs Δx2 der Abstimmscheibe 28 dargestellt. Eine Variation des Linearhubs Δx2 von 0,75 mm entspricht einer Frequenzänderung von 45 MHz.
Bei den genannten Bedingungen wird eine minimale mechanische Lageänderung der Abstimmscheibe 28 von Δx2(min) < 0,2 µm erreicht. Dies entspricht gemäß Fig. 3 bei kleinen Abständen d < 0,3 mm zwischen der Abstimmscheibe 28 und dem dielektrischen Zylinder 30 etwa einer minimalen Änderung der Resonanzfrequenz ΔωR(min) von 4 kHz. Diese durch die mechanische Verstimmung des Hohlraumresonators 1 erzielbare Frequenzänderung ist somit deutlich geringer als die von dem Phasenschieber 45 herbeiführbare maximale Frequenzvariation von etwa 100 kHz, d.h. die eingangs genannte Bedingung für die kontinuierliche Durchstimmbarkeit des Mikrowellenoszillators ist gut erfüllt.
Die auf der im rechten Bildbereich der Fig. 3 dargestellten y-Achse aufgetragene Güte Q des Hohlraumresonators 1 ist über den gesamten Abstimmbereich des Mikrowellenoszillators weitgehend konstant und beträgt in dem hier dargestellten Beispiel Q > 2·106. Dabei tritt auch während eines Einstellvorgang praktisch keine Gütedegradation des Hohlraumresonators 1 auf.

Claims (12)

  1. Abstimmbarer Hohlraumresonator, der
    einen einen Hohlraum (5) definierenden Resonatorkörper (2, 3, 4),
    eine in ihrer Lage gegenüber dem Resonatorkörper (2, 3, 4) veränderliche und dabei die Resonanzfrequenz ωR des Hohlraumresonators (1) beeinflussende Abstimmscheibe (28) und
    eine Stelleinrichtung (22, 26) zur mechanischen Lageveränderung der Abstimmscheibe (28) umfaßt,
    gekennzeichnet durch eine Übersetzungsmechanik (18, 20), die die Stelleinrichtung (22, 26) bewegungsmäßig mit der Abstimmscheibe (28) koppelt und einen von der Stelleinrichtung (22, 26) erzeugten Linearhub Δx1 unter vorgegebenem Verhältnis U in einen auf die Abstimmscheibe (28) wirkenden, reduzierten Linearhub Δx2 übersetzt, wobei die Übersetzungsmechanik (18, 20) ein erstes Federelement (20), dessen stelleinrichtungsseitiges Ende mit dem von der Stelleinrichtung (22, 26) erzeugten Linearhub Δx1 auslenkbar ist, und ein zweites Federelement (18), das das stelleinrichtungsferne Ende des ersten Federelements (20) mit einer Gegenkraft beaufschlagt, umfaßt.
  2. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Federelement aus wenigstens einer Tellerfeder (20) gebildet ist, und daß das zweite Federelement von einer umfangsseitig fixierten, von der Tellerfeder (20) zentral beaufschlagten Plattenfeder (18) realisiert ist.
  3. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Resonatorkörper aus einer zylindrischen Umfangswand (3), einer Deckenwand (4) und einer Bodenwand (2) besteht,
    daß in der Deckenwand (4) und/oder der Bodenwand (2) ein zur Umfangswandachse koaxialer, einen Tellerfederstapel (20) enthaltender zylindrischer Federaufnahmeraum (19) ausgebildet ist, und daß die Plattenfeder (18) in ihrem radial äußeren Bereich zwischen einem Flansch (15) der Umfangswand (3) und der Decken- oder Bodenwand (4; 2) fixiert ist.
  4. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (22, 26) ein insbesondere manuell betätigbares mechanisches Stellglied, insbesondere Drehstellglied (22) und ein dem mechanischen Stellglied (22) nachgeschaltetes erstes elektromechanisches Stellglied, insbesondere erstes Piezbelement (26) umfaßt.
  5. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Flansch (15) der Umfangswand (3) und der Boden- und/oder Deckenwand (2; 4) eine oder mehrere Abstandselemente (9; 14) vorgegebener Stärke angeordnet sind.
  6. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmscheibe (28) aus einem dielektrischen Material, insbesondere Saphir, besteht.
  7. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    daß in dem Resonatorkörper (2, 3, 4) ein dielektrischer Körper (30) vorgesehen ist, und
    daß die Abstimmscheibe (28) innerhalb des Resonatorkörpers (2, 3, 4) unter einem geringen Abstand d zu einer ebenen Oberfläche (29) des dielektrischen Körpers (30) angeordnet ist.
  8. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (30) auf einem mittels eines zweiten elektromechanischen Stellglieds, insbesondere zweiten Piezoelements (11) in seiner Höhe veränderlichen Hubboden (10) angebracht ist.
  9. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder das zweite elektromechanische Stellglied (11; 26) ein von einer Ansteuerschaltung ausgegebenes elektrisches Steuersignal empfängt, mittels dem der Hohlraumresonator (1) in einem Frequenz-Regelschleifenbetrieb betrieben wird.
  10. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (1) thermisch an eine externe Kühleinrichtung, insbesondere einen mechanischen Kleinkühler angeschlossen ist.
  11. Abstimmbarer Mikrowellenoszillator mit einem Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Verstärker (40), der ein den Hohlraumresonator (1) anregendes Verstärkersignal (41) ausgibt, einen Phasenschieber (45), der ein aus dem Hohlraumresonator (1) ausgekoppeltes Ausgangssignal (44) entgegennimmt und ein gegenüber dem Ausgangssignal (44) phasenverschiebbares Rückkoppelsignal (46) bereitstellt, welches einem Eingang des Verstärkers (40) zugeführt wird.
  12. Abstimmbarer Mikrowellenoszillator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator 1 eine Güte Q > 106, insbesondere Q > 107 aufweist, und daß die Übersetzungsmechanik (18, 20) des Hohlraumresonators (1) so ausgelegt ist, daß die durch eine minimal mögliche Verstellung der Stelleinrichtung (22) erzielbare Minimaländerung der Resonanzfrequenz ΔωR(min) kleiner als der durch eine Verstellung des Phasenschiebers (45) maximal erzielbare Frequenzhub ΔωR der Resonanzfrequenz ωR ist.
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