ТЕРМОСТАБИЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР

Полезная модель относится к технике СВЧ и может быть использована в качестве опорного резонатора в системах стабилизации частоты СВЧ-генераторов, а также в измерительных устройствах, заполняемых газами под различными давлениями, в том числе и значительно выше атмосферного.
Известен термостабильный прямоугольный резонатор (Патент СССР №1020893, Н01Р 7/06, опубл. 30.05.1983, бюл. №20), содержащий корпус и термокомпенсатор в виде прямоугольной выгнутой металлической пластины, закрепленной концами на широкой стенке корпуса, а прямоугольная выгнутая металлическая пластина размещена внутри корпуса, и между прямоугольной выгнутой металлической пластиной и стенкой корпуса, на которой она закреплена, дополнительно введен регулировочный винт, установленный в корпусе.
Недостатком известного устройства является невозможность заполнения объема термостабильного резонатора различными газами, находящимися при различных давлениях, в том числе и значительно выше атмосферного.
Известен термостабильный резонатор (Авт. св-во СССР №1394286, Н01Р 7/06, опубл. 07.05.1988, бюл. №17), содержащий корпус, в одной из стенок которого установлен винт с симметрично закрепленным на нем термокомпенсирующим элементом в виде биметаллической пластины, выполненной П-образной, и ее ширина равна величине зазора между ее параллельными сторонами, а также содержится дополнительная пластина, выполненная из биметалла, размещенная в зазоре между параллельными сторонами П-образной биметаллической пластины перпендикулярно им и один конец которой соединен с концом одной параллельной стороны П-образной биметаллической пластины, а другой отстоит от конца другой ее параллельной стороны на расстоянии, на порядок меньше зазора между параллельными сторонами П-образной биметаллической пластины.
Недостатком известного устройства является невозможность заполнения объема термостабильного резонатора различными газами, находящимися при различных давлениях, в том числе и значительно выше атмосферного.
Известен термостабильный резонатор (Авт. св-во СССР №1589335, Н01Р 1/30, 7/06, опубл. 30.08.1990, бюл. №23), содержащий корпус, в одной из стенок которого установлен винт настройки, и термокомпенсирующий элемент в виде биметаллической пластины, закрепленной на винте настройки, на концевой части винта настройки выполнена лыска, а биметаллическая пластина установлена параллельно лыске с зазором относительно нее, много меньшим резонансной длины волны, и обращена внутрь зазора стороной с меньшим коэффициентом линейного расширения.
Недостатком известного устройства является невозможность заполнения объема термостабильного резонатора различными газами, находящимися при различных давлениях, в том числе и значительно выше атмосферного.
1
2
Известен термостабильный резонатор (Авт. св-во СССР №1628111, Н01Р 7/06, опубл. 15.02.1991, бюл. №6), содержащий цилиндрический корпус и крышку, внутри цилиндрического корпуса соосно установлен центральный проводник, причем крышка и центральный проводник выполнены из материалов, имеющих разные значения температурного коэффициента линейного расширения, а крышка соосно закреплена на центральном проводнике и ее диаметр меньше внутреннего диаметра цилиндрического корпуса, при этом цилиндрический корпус и центральный проводник выполнены из материала с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения α, а температурный коэффициент линейного расширения α материала крышки выбран согласно условию
причем k=100 и
где а - радиус корпуса, b - радиус крышки.
Недостатком известного устройства является невозможность заполнения объема термостабильного резонатора различными газами, находящимися при различных давлениях, в том числе и значительно выше атмосферного.
Наиболее близким из числа известных технических решений является термостабильный резонатор (Авт. св-во СССР №1115286, H01P 7/06, опубл. 07.08.1988, бюл. №29), содержащий корпус и термокомпенсирующий элемент в виде стержня, расположенного в стенке корпуса параллельно его оси и соединенного одним концом с настроечным поршнем, и введенный полый цилиндр, один конец которого соединен с корпусом, а другой конец - с другим концом стержня, который размещен внутри полого цилиндра, при этом стержень и полый цилиндр выполнены из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения.
В случае повышения окружающей температуры вследствие теплового расширения увеличивается диаметр и длина корпуса, а, следовательно, резонансная частота понижается. В то же время увеличивается длина полого цилиндра и стержня, но, поскольку коэффициент линейного расширения материала, из которого изготовлен полый цилиндр, значительно больше, чем у стержня, в результате настроечный поршень втягивается внутрь корпуса, что ведет к повышению резонансной частоты.
Недостатком известного устройства является невозможность заполнения объема термостабильного резонатора различными газами, находящимися при различных давлениях, в том числе и значительно выше атмосферного.
Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства-прототипа, является наличие в конструкции негерметичного корпуса с настроечным поршнем, перемещающимся по отношению к корпусу, причем между корпусом и настроечным поршнем всегда присутствует щель, принципиально необходимая для термокомпенсации резонатора.
Это обусловлено тем, что в устройстве-прототипе решалась задача температурной стабилизации рабочей частоты резонатора и не предусматривалось его использование при заполнении его объема различными газами, которые могут находиться под различными давлениями, в том числе значительно выше атмосферного.
Основной задачей, на решение которой направлен заявляемый объект - термостабильный резонатор, является его возможность работы в СВЧ-генераторах при измерении характеристик газов, находящихся под различным давлением, значительно отличающимся от атмосферного давления.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели, является возможность снятия характеристик газов, заполняющих объем термостабильного резонатора при различных давлениях, в частности, значительно превышающих атмосферное. При этом значительно повышается точность измерения, так как рабочая длина резонатора остается постоянной при различных рабочих температурах.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее корпус, термокомпенсирующий элемент, настроечный поршень, установленный внутри корпуса с возможностью перемещения вдоль его продольной оси, дополнительно введены два штока, второй термокомпенсирующий элемент и второй настроечный поршень, установленный внутри корпуса с возможностью перемещения вдоль его продольной оси зеркально по отношению к первому настроечному поршню, причем корпус выполнен в виде полого цилиндра и двух герметизирующих крышек, а термокомпенсирующие элементы выполнены в виде полусферических пружин, закрепленных по периметру на боковой стенке полого цилиндра и выпуклостью обращенных к герметизирующим крышкам корпуса, и термокомпенсирующие элементы установлены зеркально по отношению друг к другу и размещены между торцами корпуса и настроечными поршнями, соединенными с термокомпенсирующими элементами штоками, один конец каждого штока закреплен в центре полусферической пружины, другой конец жестко закреплен в центре настроечного поршня.
Технический результат достигается за счет выполнения корпуса герметичным с двумя герметизирующими крышками с возможностью его заполнения различными газами при различных давлениях, а термокомпенсирующие элементы выполнены в виде полусферических металлических пружин, соединенных с помощью штоков с настроечными поршнями, обеспечивают при прогибе пружин перемещение настроечных поршней внутри корпуса вдоль его продольной оси таким образом, чтобы длина резонатора не менялась при различных рабочих температурах.
В качестве доказательства достижения технического результата и работоспособности заявляемого термокомпенсированного резонатора приведем оценочные расчеты температурной компенсации рабочей частоты резонатора в диапазоне изменения температур
Для расчета используют значения температурных коэффициентов линейного расширения следующих материалов:
латуни
фосфористой бронзы
алюминия (дюраля Д16)
Эти данные взяты из физических справочников для температуры
Т=293 К.
Выбирают типовой полуволновый резонатор из латуни дециметрового диапазона, работающий на частоте f=1000 МГц. Тогда при Т=293 К длина полуволнового резонатора будет равна
ро
Длина резонатора L=150 мм - это расстояние между двумя настроечными поршнями при температуре Т=293 К.
Пусть при температуре Т=293 К внутренний диаметр резонатора
po
d=0,05 м=50 мм.
Сначала рассмотрим, как изменится длина и диаметр резонатора при увеличении температуры на ΔT=10 К.
Длина резонатора стала
p+
po
л
-6
L=L(1+αΔT)=150(1+18,7⋅10⋅10)=150,03 мм.
p+
Удлинение резонатора составило величину L≈0,03 мм.
p+
-6
Диаметр резонатора увеличился на величину Δd=50⋅18,7⋅10⋅10=0,00935 мм.
Диаметр полусферической пружины из фосфористой бронзы при
бо
Т=293 К равен d=50 мм.
б+
бо
б
-6
При нагреве на ΔT=10 К диаметр пружины должен был измениться на величину Δd=d⋅α⋅ΔT=50⋅17,5⋅10⋅10=0,00875 мм.
При закреплении пружины по всему периметру корпуса резонатора происходит изменение формы (растяжение) при нагреве корпуса резонатора и пружины на ΔT=10 К, что приводит к сдвигу штока, направленному навстречу удлинения корпуса резонатора.
Вторым фактором компенсации температурных уходов настроечных поршней является факт температурного удлинения материала штоков. Штоки выполнены из алюминия (точнее из его сплава Д16).
што
Пусть длина штока при Т=293 К равна L=58,54 мм.
Удлинение штока должно быть равно половине удлинения корпуса резонатора, находящегося между двумя настроечными поршнями, то есть  так как в конструкции термостабильного резонатора предусмотрено два штока и два настроечных поршня, а корпус резонатора удлиняется от своей середины в обе стороны на величину
При нагреве штока на ΔT=10 К его удлинение составит величину
Теперь рассмотрим, как изменится длина и диаметр резонатора при уменьшении температуры на ΔT=10 К.
Длина резонатора стала
p-
po
л
-6
L=L(1-αΔT)=150(1-18,7⋅10⋅10)=149,97 мм.
p-
Укорочение резонатора составило величину L≈0,03 мм.
p-
po
л
-6
Диаметр резонатора уменьшился на величину Δd=d⋅α⋅10=50⋅18,7⋅10⋅10=0,00935 мм.
Диаметр полусферической пружины из фосфористой бронзы при
бо
Т=293 К равен d=50 мм.
б-
бо
б
-6
При охлаждении на ΔT=10 К диаметр пружины должен был измениться на величину Δd=d⋅α⋅10=50⋅17,5⋅10⋅10=0,00875 мм.
При закреплении пружины по всему периметру корпуса резонатора происходит изменение формы (выпучивание) пружины и появляется сдвиг штока, направленный навстречу укорочению длины корпуса резонатора.
Вторым фактором компенсации температурных уходов настроечных поршней является факт температурного укорочения материала штоков.
што
Длина штока при Т=293 К равна L=58,54 мм.
Укорочение штока должно быть равно половине укорочения корпуса резонатора, находящегося между двумя настроечными поршнями, то есть  так как в конструкции термостабильного резонатора предусмотрено два штока и два настроечных поршня, а корпус резонатора укорачивается от своей середины в обе стороны на величину
При охлаждении штока на ΔT=10 К его укорочение составит величину
Результаты расчета доказывают, что термокомпенсированный резонатор, работающий в дециметровом диапазоне и выполненный из обычных дешевых материалов (корпус из латуни, пружины из фосфористой бронзы, штоки из сплава алюминия дюраля Д16), может обеспечить практически 100%-ю компенсацию температурного ухода частоты резонатора как при увеличении температуры, так и при ее уменьшении, по крайней мере в диапазоне температур  Расчетное значение длины штока следует уменьшить на некоторую величину, определяемую экспериментально, так как к увеличению длины штока или к ее уменьшению добавляются величины механического сдвига поршня в ту или иную сторону при изменении формы пружины при увеличении или уменьшении температуры в пределах 10 К.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественным всем признакам заявленного объекта термостабильный резонатор отсутствуют, следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной полезной модели, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленной полезной модели преобразований на достижение указанного технического результата и полезная модель основана на замене какой-либо части устройства аналога другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения, следовательно, заявленная полезная модель соответствует изобретательскому уровню.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен разрез термостабильного резонатора по его продольной оси.
Устройство термостабильный резонатор содержит корпус 1, выполненный в виде полого цилиндра, две герметизирующие крышки 2, установленные на торцах полого цилиндра корпуса 1, первый термокомпенсирующий элемент 3, первый настроечный поршень 4, второй настроечный поршень 5, установленный внутри корпуса с возможностью перемещения вдоль его продольной оси зеркально по отношению к первому настроечному поршню 4, второй термокомпенсирующий элемент 6, причем термокомпенсирующие элементы 3 и 6 выполнены в виде полусферических пружин, закрепленных по периметру на боковой стенке полого цилиндра и выпуклостью обращенных к герметизирующим крышкам корпуса 2, и установлены зеркально по отношению друг к другу, размещены между торцами корпуса и настроечными поршнями 4 и 5, два штока 7, соединенных с термокомпенсирующими элементами 3 и 6, причем один конец каждого штока 7 закреплен в центре полусферической пружины, а другой конец - жестко закреплен в центрах настроечных поршней 4 и 5.
Термостабильный резонатор работает следующим образом.
В случае повышения окружающей температуры из-за теплового расширения увеличивается длина полого цилиндра корпуса 1 и его диаметр, следовательно, резонансная частота резонатора понижается. При увеличении диаметра полусферические пружины термокомпенсирующих элементов 3 и 6 растягиваются и перемещают штоки 7 и закрепленные с ними настроечные поршни 4 и 5 таким образом, что расстояние между настроечными поршнями 4 и 5 остается постоянным, значит и резонансная частота резонатора не изменяется. Дополнительная компенсация происходит из-за теплового удлинения штоков 7, длина которых и материал с необходимым температурным коэффициентом линейного расширения подбираются экспериментально при различных соотношениях длины корпуса резонатора 1 и диаметра настроечных поршней 4 и 5, при этом добиваются полной температурной компенсации резонансной частоты термостабильного резонатора с высокой точностью при колебаниях окружающей температуры.
Герметизирующие крышки 2 позволяют исследовать заполняющие объем корпуса 1 различные газы, находящиеся при различных давлениях, в частности и значительно выше атмосферного.
Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата, то есть снятие характеристик газов, заполняющих объем термостабильного резонатора при различных давлениях, в частности значительно превышающих атмосферное, при повышении точности измерения, обеспечивается наличием в конструкции термостабильного резонатора герметичного корпуса 1 с герметизирующими крышками 2, двух термокомпенсирующих элементов в виде полусферических пружин 3 и 6, двух штоков 7, двух настроечных поршней 4 и 5, установленных с возможностью перемещения вдоль продольной оси корпуса 1. При изменении температуры в широких пределах расстояние между настроечными поршнями 4 и 5 остается неизменным, что обеспечивает стабильность рабочей частоты термостабильного резонатора с высокой точностью.
Сопоставление параметров, характеризующих заявляемую полезную модель и прототип, позволяет сделать вывод, что заявляемый термостабильный резонатор обладает новизной и соответствует изобретательскому уровню.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленной полезной модели выполняются следующие условия:
1. средство, воплощающее устройство - полезную модель, при его осуществлении, предназначено для использования в радиотехнике, а именно, в качестве опорного резонатора в системах стабилизации частоты СВЧ-генераторов, а также в измерительных устройствах, позволяющих измерять физические характеристики газов, находящихся под различными давлениями, в том числе и значительно превышающих атмосферное давление;
2. для заявленной полезной модели, в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных или других известных до дачи подачи заявки средств;
3. средства, воплощающие заявленную полезную модель при ее осуществлении, способны обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».