Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine dielektrische Resonatoranordnung,
die einen Resonator aus einem dielektrischen Material
aufweist.
Hintergrund der Erfindung
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Unter den Hochfrequenz- und Mikrowellen-Resonatoranordnungen
sind die sogenannten dielektrischen Resonatoren vor kurzem in
zunehmendem Maße interessant geworden, da sie die folgenden
Vorteile gegenüber herkömmlichen Resonatoranordnungen
aufweisen: kleinere Schaltkreisabmessungen, höhere
Integrationsdichte, höhere Leistungsfähigkeit und niedrigere
Herstellungskosten. Ein Bauelement, das eine einfache geometrische Form
hat und aus einem Material mit niedrigen dielektrischen
Verlusten und einer hohen relativen Dielektrizitätskonstante
besteht, kann als dielektrischer Resonator mit einem hohen
Gütefaktor verwendet werden. Aus herstellungstechnischen Gründen
ist der dielektrische Resonator gewöhnlicherweise zylindrisch,
beispielsweise eine zylindrische Scheibe.
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Der Aufbau und die Arbeitsweise von dielektrischen Resonatoren
sind beispielsweise in den folgenden Artikeln beschrieben:
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[1] Ceramic Resonators for Highly Stable Oscillators, Gundolf
Kuchler, Siemens Components XXIV (1989) Nr. 5, Seiten
180 bis 183.
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[2] Microwave Dielectric Resonators, S. Jerry Fiedziuszko,
Microwave Journal, September 1986, Seiten 189 bis 191.
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[3] Cylindrical Dielectric Resonators and their Applications
in TEM Line Microwave Circuits, Marian W. Pospieszalski,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,
Band MTT-27, Nr. 3, März 1979, Seiten 233 bis 238.
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Die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators ist in
erster Linie von den Abmessungen des Resonatorelementes
bestimmt. Ein anderer Faktor, der die Resonanzfrequenz
beeinflußt, ist die Umgebung des Resonators. Das elektrische oder
magnetische Feld des Resonators und demzufolge die
Resonanzfrequenz können mit Absicht durch das Einführen einer
Metalloberfläche oder einer anderen leitenden Oberfläche in die Nähe
des Resonators beeinflußt werden. Um die Resonanzfrequenz des
dielektrischen Resonators einzustellen, ist es eine gängige
Praxis, den Abstand zwischen der leitenden Metalloberfläche
und der ebenen Oberfläche des Resonators einzustellen. Der
Einstellmechanismus kann beispielsweise eine Stellschraube
sein, die an einem Gehäuse angebracht ist, das den Resonator
umgibt.
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Bei dieser Form der Einstellmethode ist es jedoch typisch, daß
die Resonanzfrequenz sich nicht-linear in Abhängigkeit von dem
Einstellabstand ändert. Aufgrund der Nicht-Linearität und der
Steilheit der Einstellung ist es schwierig und erfordert es
eine hohe Genauigkeit, die Resonanzfrequenz genau
einzustellen, insbesondere an dem oberen Ende des Einstellbereiches.
Ferner variiert der Leerlaufgütefaktor als Funktion des
Abstandes zwischen der leitenden Oberfläche und des Resonators.
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Ein konstanter Gütefaktor und eine Frequenzeinstellung mit
höherer Linearität kann innerhalb eines breiteren Bereiches
erreicht werden, wenn die leitende Einstelloberfläche oder
-platte durch eine dielektrische Einstellplatte ersetzt wird,
deren Abstand von der ebenen Oberfläche des Resonators
eingestellt wird. Fig. 7 in dem oben genannten Artikel [2] zeigt
eine sogenannte Doppelresonatoranordnung als Modifikation
dieser Lösung. Bei der Doppelresonatoranordnung sind zwei
zylindrische, dielektrische Resonatorscheiben koaxial dicht
nebeneinander angeordnet, so daß der Abstand zwischen ihren ebenen
Oberflächen dadurch eingestellt werden kann, daß die Scheiben
in Richtung ihrer gemeinsamen Achse verschoben werden. Auch in
diesem Fall ist die Einstellkurve noch steil, und außerdem ist
die Doppelresonatoranordnung größer und komplizierter als eine
herkömmliche Anordnung, die eine Einstellplatte verwendet.
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Die Veröffentlichung US-50 08 640 beschreibt einen
dielektrisch bestückten Hohlraumresonator, der einen dielektrischen
Zylinder aufweist, der zwischen einem Paar dielektrischer
Platten angeordnet ist. In der seitlichen Oberfläche sind
Löcher für Einstellschrauben ausgebildet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine dielektrische
Resonatoranordnung bereitzustellen, bei der die Resonanzfrequenz
genauer als bisher eingestellt werden kann.
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Dies wird mit der dielektrischen Resonatoranordnung gemäß der
Erfindung erreicht, wobei der Resonator zwischen zwei
Trägerplatten gelagert ist und in mindestens einer Richtung zwischen
den Trägerplatten verschiebbar ist, wobei mindestens eine der
Trägerplatten aus einem dielektrischen Material besteht und
wobei mindestens eine dielektrische Trägerplatte eine
Formöffnung aufweist, wobei die Größe der Öffnung in Abhängigkeit von
der Richtung der Verschiebung des Resonators variiert, so daß
die Menge des dielektrischen Materials der dielektrischen
Trägerplatte in der Nähe des Resonators mit der Verschiebung des
Resonators variiert.
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Die Grundidee der Erfindung ist, daß die Resonanzfrequenz
durch das Variieren der Menge des dielektrischen Materials in
der Nähe des Resonators eingestellt wird, indem der Resonator
anstelle des Frequenzeinstellers bewegt wird. Die Einstellung
der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises erfolgt dadurch, daß
der Resonator bezüglich der Formöffnungen der Trägerplatten
bewegt wird, so daß die Menge des keramischen Materials, das
die Resonanzfrequenz einstellt, in der Nähe des Resonators als
Funktion der Einstellbewegung variiert. Die Erfindung bietet
eine einfachere und kompaktere Anordnung, da die getrennten
Frequenzeinstell- und Trägeranordnungen wegfallen. Da alle
Anordnungen
aus einem dielektrischen Material sein können, wird
die Temperaturkompensation erleichtert, und der Gütefaktor des
Resonators bleibt während der Frequenzeinstellung konstant.
Durch ein geeignetes Auswählen der Größe/Gestalt der
Formöffnungen wird eine Resonanzfrequenz-Einstellkurve erreicht, die
eine gewünschte Steigung und Linearität hat. Die schwach
ansteigende, lineare Einstellkurve führt dann wiederum zu einer
besseren Genauigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im folgenden wird die Erfindung detaillierter anhand
erläuternder Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen
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Fig. 1A eine Querschnitt-Seitenansicht einer
Resonatoranordnung gemäß der Erfindung zeigt;
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Fig. 1B und 1C die Schnitte entlang der Linien A-A bzw. B-B
der Resonatoranordnung aus Fig. 1A zeigen;
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Fig. 2A die Resonatoranordnung aus Fig. 1A zeigt, wenn der
Resonator verschoben worden ist; und
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Fig. 2B einen Schnitt entlang der Linie B-B der
Resonatoranordnung aus Fig. 2A zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Der hier verwendete Ausdruck dielektrischer Resonator bezieht
sich allgemein auf einen Körper oder ein Bauelement mit einer
geeigneten geometrischen Form und aus einem Material mit
niedrigen dielektrischen Verlusten und einer hohen relativen
Dielektrizitätskonstanten. Aus herstellungstechnischen Gründen
ist der dielektrische Resonator gewöhnlich zylindrisch, z.B.
eine zylindrische Scheibe. Das üblichste verwendete Material
ist Keramik.
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Die Anordnung, Arbeitsweise und keramische Materialien von
dielektrischen Resonatoren sind beispielsweise in den oben
genannten Artikeln [1], [2] und [3] beschrieben. Im folgenden
Text wird der Aufbau des dielektrischen Resonators nur in
einem solchen Umfang beschrieben, wie es für das Verständnis
der Erfindung notwendig ist.
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Die Zeichnungen zeigen einen Querschnitt einer dielektrischen
Resonatoranordnung 1 gemäß einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein dielektrisches, zylindrisches
Resonatorelement 3 aufweist, das in einem Hohlraum 5
angeordnet ist, der von einem Gehäuse 2 aus einem elektrisch
leitenden Material (wie z.B. Metall) gebildet ist. Das Gehäuse 2 ist
mit Massepotential verbunden. Das dielektrische
Resonatorelement 3, typischerweise aus einem keramischen Material, ist
zwischen zwei parallelen Trägerplatten 4A und 4B in einem
festen Abstand von der Grundplatte und der Abdeckung des
Gehäuses 2 gelagert. Die untere Oberfläche der oberen
Trägerplatte 4A wird gegen die obere radiale plane Oberfläche der
zylindrischen Resonatorscheibe 3 gedrückt, während die obere
Oberfläche der unteren Trägerplatte 4B entsprechend gegen die
untere plane Oberfläche der Resonatorscheibe 3 gedrückt wird,
so daß die Resonatorscheibe 3 zwischen den Trägerplatten 4A
und 4B radial verschiebbar ist. Die unteren und oberen
Oberflächen der Trägerplatten 4A und 4B sind vorzugsweise mit
Aussparungen oder Nuten 7 ausgebildet, deren Breite gleich dem
Durchmesser der Resonatorscheibe 3 ist. Die Resonatorscheibe 3
ist in den Aussparungen oder Nuten angeordnet, die die
Bewegungsrichtung der Scheibe 3 bestimmen, die mit dem Pfeil 9
angezeigt ist.
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Die elektromagnetischen Felder des dielektrischen Resonators
erstrecken sich aus dem Resonatorelement nach außen, und auf
diese Weise kann der Resonator elektromagnetisch mit einer
anderen Resonatorschaltung auf verschiedene Arten, die von der
Anwendung abhängen, verbunden werden, wie z.B. durch einen
Mikrostreifenleiter, einen gebogenen koaxialen Leiter oder
einen herkömmlichen geraden Leiter, der nahe bei dem
dielektrischen Resonator angeordnet ist. In dem Beispiel in Fig. 2A
wird die Verbindung zu dem Resonator 3 mittels eines gebogenen
Innenleiters 6A eines Koaxialkabels 6 hergestellt.
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Die Resonanzfrequenz des elektrischen Resonators wird
hauptsächlich durch die Abmessungen des Resonatorelementes
bestimmt. Ein anderer Faktor, der die Resonanzfrequenz
beeinflußt, ist die Umgebung des Resonators. Durch Einführen einer
Metalloberfläche oder einer anderen leitenden Oberfläche in
die Nähe des Resonators können das elektrische oder
magnetische Feld des Resonators und folglich auch die
Resonanzfrequenz mit Absicht beeinflußt werden. Ein ähnlicher Effekt
wird erzeugt, wenn ein dielektrischer Körper in die Nähe des
Resonators gebracht wird, mit der Ausnahme, daß der
Leerlaufgütefaktor des Resonators sich in diesem Fall nicht ändert.
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Bei der Resonatoranordnung 1 gemäß der Erfindung besteht
mindestens die eine der Trägerplatten 4A und 4B aus einem
geeigneten dielektrischen Material, so daß es die
Resonanzfrequenz des Resonators 3 beeinflußt. Die Trägerplatte 4A ist
mit einer Formöffnung 8 ausgebildet, deren Gestalt und Größe
mit der Verschiebungsrichtung der Resonatorscheibe 3 variiert.
Die Formöffnung 8 bewirkt auch, daß die Menge des
dielektrischen Materials in der unmittelbaren Nähe der Resonatorscheibe
3 sich in der Richtung der Verschiebung der Resonatorscheibe 3
ändert, welche wiederum die Resonanzfrequenz variiert. Durch
eine geeignete Auswahl der Größe und Gestalt der Formöffnung 8
kann eine gewünschte gegenseitige Abhängigkeit zwischen der
linearen Bewegung (Ort in der Verschiebungsrichtung) der
Resonatorscheibe 3 und der Resonanzfrequenz erreicht werden. Die
Fig. 2A bis 2B zeigen die Resonatoranordnung, wenn die
Resonatorscheibe aus der Position, die in den Fig. 1A bis 1C gezeigt
ist, in der Richtung, die durch den Pfeil 9 angezeigt ist,
nach links verschoben wird.
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Alternativ können beide Trägerplatten 4A und 4B aus Keramik
sein und Formöffnungen 8 aufweisen. Vom Standpunkt der
Temperaturkompensation
aus ist es vorzuziehen, daß beide
Trägerplatten 4A und 4B dielektrisch sind.
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Der Einstellmechanismus kann beispielsweise eine
Einstellschraube oder ein Einstellrad 9 aufweisen, das an dem Rand der
Resonatorscheibe 3 mittels eines nicht-leitenden
Distanzstückes 9A befestigt ist, wie es in Fig. 2A gezeigt ist.
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Die Erfindung ist oben beispielhaft anhand eines speziellen
Ausführungsbeispieles beschrieben worden. Wie es für einen
Fachmann auf der Grundlage der obigen Beschreibung
offensichtlich ist, kann das Einstellprinzip gemäß der Erfindung jedoch
bei allen dielektrischen Resonatoranordnungen anstelle
herkömmlicher Einstellverfahren angewendet werden. Einige
Beispiele möglicher Anordnungen sind in den oben genannten
Artikeln [1] bis [3] beschrieben.
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Die Zeichnungen und die darauf Bezug nehmende Beschreibung
sind nur dazu bestimmt, die Erfindung zu erläutern.