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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine supraleitende
Filtervorrichtung, und insbesondere ein supraleitendes, abstimmbares
Filter mit einer einfachen Struktur zum Abstimmen der Resonanzfrequenz
und/oder Bandbreite.
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HINTERGRUND
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Zusammen
mit der schnellen Entwicklung und Verbreitung von Mobiltelefonen
in den letzten Jahren wurden Datenübertragungstechnologien
mit hoher Geschwindigkeit und hohem Volumen unverzichtbar. Aufgrund
von extrem geringen Oberflächenwiderständen selbst
bei hohen Frequenzen, verglichen mit typischen guten Leitern, besitzen
Supraleiter ein großes Potential für Anwendungen
in RF-Filtern, welche in Basisstationen von Mobilkommunikationssystemen
verwendet werden, und insbesondere wird eine Anwendung in Resonatoren
mit niedrigem Verlust und hohem Q erwartet.
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Wenn
es in Mobilkommunikationen angewendet wird, muss das supraleitende
Filter mit einer Fähigkeit zur Frequenzabstimmung versehen
werden. Die generelle Technik zum Abstimmen von Frequenzen ist,
die magnetische Ist-Permeabilität oder die Ist-Permittivität
einer supraleitenden Verbindungsleitung zu steuern. Eine von bekannten
Techniken zum Steuern der Ist-Permittivität einer supraleitenden
Struktur besteht darin, einen dielektrischen Block auf der supraleitenden
Struktur zu platzieren und eine Spannung an dem dielektrischen Block
anzulegen, um die Permittivität zu verändern.
Siehe beispielsweise G. Subramanyam, et al., "Design and
development of ferroelectric tunable HTS microstrip filters for
Ku- and K-band applications", Materials Chemistryand Physics 79
(2003) 147–150.
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Da
jedoch die Permittivität gesteuert wird, indem eine elektrische
Spannung direkt an dem dielektrischen Block angelegt wird, gibt
es Probleme, dass der Übertragungsverlust augrund einer
Verschlechterung des dielektrischen Blocks ansteigt und dass eine
hohe Spannung angelegt werden muss, um die Permittivität
zu verändern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
einem Aspekt der Erfindung wird eine supraleitende Filtervorrichtung
bereitgestellt, welche Vorrichtung umfasst:
eine dielektrische
Basis;
eine Resonatorstruktur, die aus einem supraleitenden
Material auf der dielektrischen Basis geformt ist;
einen anisotropen,
dielektkrischen oder magnetischen Körper, der über
der Resonatorstruktur positioniert ist; und
einen Mechanismus
zum Verändern des Winkels des anisotropen, dielektrischen
oder magnetischen Körpers in Bezug auf ein Eingangssignal.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Abstimmen
einer supraleitenden Filtervorrichtung bereitgestellt. Dieses Verfahren
umfasst die Schritte:
Platzieren eines anisotropen, dielektrischen
oder magnetischen Körpers über einer Resonatorstruktur
der supraleitenden Filtervorrichtung; und
Verändern
des Winkels des anisotropen, dielektrischen oder magnetischen Körpers
in Bezug auf das Eingangssignal, um die Resonanzfrequenz und/oder die
Bandbreite des Eingangssignals zu steuern, das gefiltert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden, detaillierten Beschreibung deutlicher werden, wenn
sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen
wird, in welchen:
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1A und 1B schematische
Diagramme sind, welche ein Beispiel einer supraleitenden Filtervorrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
illustrieren;
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2 ein
Beispiel eines Veränderns des Winkels oder der Orientierung
eines anisotropen Permittivitätsblocks in Bezug auf das
Eingangssignal illustriert;
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3A ein
Beispiel eines Piezoantriebspulses illustriert, der in einem Winkelanpassungsmechanismus
verwendet wird, und 3B und 3C schematische
Diagramme sind, welche die Bewegung des Winkelanpassungsmechanismus
beim Anlegen des Piezoantriebspulses illustrieren;
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4 ein
schematisches Diagramm eines Modells ist, welches bei einer charakteristischen
Simulation der supraleitenden Filtervorrichtung verwendet wird,
die in 1 gezeigt ist;
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5A und 5B graphische
Darstellungen der Simulationsergebnisse sind, wobei das Modell verwendet
wird, das in 4 gezeigt ist; und
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6A und 6B graphische
Darstellungen des Magnetisierungsprozesses eines Antiferromagnets
sind, welcher ein Beispiel für den anisotropen, magnetischen
Körper ist.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die
bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun
im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Figuren und die Beschreibung werden zu illustrativen Zwecken
dargelegt und beschränken den Schutzbe reich der Erfindung
nicht. Andere Alternativen und Modifikationen werden durch den Schutzbereich
der Erfindung umfasst, so lange solche Alternativen und Modifikationen
im Einklang mit dem Kern der Erfindung stehen.
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Zuerst
wird die Grundidee der Ausführungsbeispiele erklärt.
Ein anisotroper, dielektrischer oder magnetischer Körper
(das heißt eine anisotrope, dielektrische Permittivitätssubstanz
oder eine anisotrope, magnetische Permeabilitätssubstanz)
ist über (auf oder darüber) einem supraleitenden
Resonator positioniert. Der Winkel oder die Orientierung des anisotropen,
dielektrischen oder magnetischen Körpers wird in Bezug
auf das Eingangssignal so verändert, dass die Permittivität
oder die magnetische Permeabilität für das Eingangssignal
variiert. Mit dieser einfachen Struktur kann die Resonanzfrequenz und/oder
die Bandbreite der Filtervorrichtung effizient gesteuert werden.
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Ein
Stützstab oder jedes andere Stützmittel kann verwendet
werden, um den anisotropen, dielektrischen oder magnetischen Körper über
der Resonatorstruktur zu halten. In diesem Fall kann ein Auf-/Abbewegungsmechanismus
mit einem Drehmechanismus kombiniert werden, welche Mechanismen
mit dem Stützstab verbunden sind, um den Winkel des dielektrischen
oder magnetischen Körpers in Bezug auf das Eingangssignal
und/oder den Abstand zwischen der Resonatorstruktur und dem dielektrischen oder
magnetischen Körper zu verändern.
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Mit
dieser Anordnung ist es nicht notwendig, ein externes elektrisches
oder magnetisches Feld an der supraleitenden Filtervorrichtung anzulegen,
um die Filtercharakteristika zu steuern. Demzufolge kann ein ungewünschter
Anstieg eines Übertragungsverlustes aufgrund einer Verschlechterung
der Filtervorrichtung, welche durch ein extern angelegtes Feld verursacht
wird, vermieden werden.
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Eine
Feinabstimmung der Resonanzfrequenz und/oder der Bandbreite des
supraleitenden Resonatorfilters kann erreicht werden, indem einfach die
Orientierung des anisotropen, dielektrischen oder magnetischen Körpers
in Bezug auf das Eingangssignal verändert wird.
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1A und 1B illustrieren
ein Beispiel der Struktur einer supraleitenden Filtervorrichtung 10 in
einer horizontalen Querschnittansicht beziehungsweise einer vertikalen
Querschnittansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In
diesem Beispiel ist die supraleitende Filtervorrichtung 10 in
einem Metallgehäuse 8 angeordnet, um als ein Übertragungsfilter
angewendet zu werden, welches in einem Mobilkommunikationssystem
verwendet wird. Das supraleitende Filter 10 umfasst eine
dielektrische Basis (wie z. B. ein Einkristall-MgO-Substrat) 1,
eine Resonatorstruktur 2, welche aus einem supraleitfähigen
Material hergestellt und in einer vorgeschriebenen Form auf der
Oberfläche der dielektrischen Basis 1 geformt
ist, und Signaleingabe-/ausgabeleitungen 5, welche sich
zu und aus der Umgebung der supraleitenden Resonatorstruktur 2 erstrecken.
Die supraleitende Filtervorrichtung 10 umfasst auch einen
anisotropen, dielektrischen oder magnetischen Block 3,
der über der Resonatorstruktur 2 auf der dielektrischen
Basis 1 platziert ist, und einen Winkelanpassungsmechanismus 15 zum
Verändern des Winkels oder der Orientierung des anisotropen,
dielektrischen oder magnetischen Blocks 3 in Bezug auf
das Eingangssignal. Der anisotrope, dielektrische oder magnetische
Block 3 ist ein anisotroper Permittivitäts- oder
anisotroper Permeabilitätsblock. In dem Beispiel, das in 1 gezeigt ist, dreht der Winkelanpassungsmechanismus 15 den anisotropen,
dielektrischen oder magnetischen Block 3, um den Winkel
oder die Orientierung in Bezug auf das Eingangssignal zu verändern.
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Die
supraleitende Resonatorstruktur 2 ist aus YBCO (Y-Ba-Cu-O)
als ein Beispiel für das supraleitfähige Material
hergestellt und in einer Mikrostreifenleitung geformt. Die dielektrische
Basis 1 ist aus einem Einkristall-MgO-Substrat oder irgendeinem geeigneten
dielektrischen Material hergestellt, welches eine spezifische Permittivität
(dielektrische Konstante) von 8–10, im Frequenzbereich
von 3–5 GHz, besitzt. Eine der Signaleingabe-/ausgabeleitungen 5 wird
als eine Signaleingabeleitung verwendet und die andere wird als
eine Signalausgabeleitung verwendet. Die Bodenfläche der
dielektrischen Basis 1 ist mit einer Masseelektrode (Film) 11 bedeckt.
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Der
Winkelanpassungsmechanismus 15 umfasst ein piezoelektrisches
Element 7, eine Antriebsplatte 9, einen Stützstab 4,
der sich von der Verlagerungsplatte 9 in den Innenraum
des Gehäuses 8 erstreckt, und eine Feder 6,
um die Antriebsplatte 9 gegen das piezoelektrische Element 7 zu
pressen. Die Verlagerung des piezoelektrischen Elements 7 wird als
ein Drehmoment durch die Antriebsplatte 9 auf den Stützstab 4 übertragen.
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Der
anisotrope, dielektrische (oder magnetische) Block 3 ist
am Stützstab 4 befestigt. Zusammen mit der Drehung
des Stützstabs 4 dreht sich der anisotrope, dielektrische
Block 3, wie durch den bidirektionalen Pfeil indiziert,
wie in 2 illustriert. In diesem Beispiel wird der anisotrope,
dielektrische Permittivitätsblock 3 verwendet.
Da die Permittivität εij abhängig
von der Richtung variiert, verändert sich die Permittivität
für das Eingangssignal, wenn sich der Stützstab 4 dreht.
Während sich die Permittivität verringert, verlagert
sich die Resonanzfrequenz in einen höheren Bereich. Während
die Permittivität ansteigt, verlagert sich die Resonanzfrequenz
in einen niedrigeren Bereich. Indem die Permittivität in
Bezug auf das Eingangssignal gesteuert wird, können die Resonanzfrequenz
und/oder die Bandbreite des supraleitenden Resonatorfilters 10 wie
oben beschrieben angepasst werden. Der anisotrope, dielektrische Block 3 kann
aus Einkristall- LiNbO3, LiTaO3, BaB2O4, YbO4, TiO2, CaCO3, KTiOPO4,
LiB3O5, KH2PO4, LiIO3, Saphir oder anderen geeigneten Materialien
hergestellt sein. Anstelle des Einkristallmaterials kann ein polarisiertes
polykristallines Material verwendet werden.
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3A bis
einschließlich 3C sind
schematische Diagramme zum Erklären des Drehmechanismus,
welcher ein piezoelektrisches Element 7 verwendet. Wie
in 3A illustriert, wird ein Sägezahnpuls
an dem piezoelektrischen Element 7 angelegt. Von A bis
B des Sägezahnpulses wird die angelegte Spannung über
eine vorbestimmte Zeitdauer erhöht, so dass sich die Antriebsplatte 9 zu
einer bestimmten Position bewegt, zusammen mit der Verlagerung des piezoelektrischen
Elements 7, wie in 3B illustriert.
Wenn die angelegte Spannung den Pegel B erreicht, wird die Spannung,
die am piezoelektrischen Element 7 angelegt wird, geradlinig
nach unten gebracht. Der Spannungsabfall von B auf C in 3A ist
so steil, dass die Pulsform ein Sägezahn wird. Aufgrund
des steilen Spannungsabfalls überwältigt die Kraft,
welche das piezoelektrische Element 7 zurück in
die ursprüngliche Position (Form) bringt, die Reibungskraft
zwischen dem piezoelektrischen Element 7 und der Antriebsplatte 9,
und das piezoelektrische Element 7 kehrt ausschließlich
in die ursprüngliche Position zurück, während
die Antriebsplatte 9 in der verlagerten Position gelassen
wird, wie in 3C illustriert. Durch Wiederholen
des Prozesses dreht sich die Antriebsplatte 9 in eine bestimmte
Richtung. Um die Antriebsplatte 9 in die entgegengesetzte Richtung
zu drehen, wird eine Rückwärtsspannung am piezoelektrischen
Element 7 angelegt.
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4 ist
ein schematisches Diagramm, welches ein Modell illustriert, das
zum Simulieren einer Abstimmung der Resonanzfrequenz des supraleitenden
Resonatorfilters des Ausführungsbeispiels verwendet wird.
Ein Einkristall-LiNbO3-Substrat mit einer Dicke von 0,5 mm wird
als der anisotrope, dielektrische Block 3 verwendet. Die
Diagonalkomponente ε11 der Permittivität
von LiNbO3 beträgt 27,9, und eine weitere Diagonalkomponente ε33 beträgt 44,3.
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Das
LiNbO3-Substrat ist oberhalb der dielektrischen Basis 1 mit
einem Abstand von 10 μm von der supraleitenden Resonatorstruktur 2 platziert,
welche auf der dielektrischen Basis 1 geformt ist. Das LiNbO3-Substrat
wird in einer horizontalen Ebene gedreht, parallel zu der supraleitenden
Resonatorstruktur 2, und die Übertragungscharakteristik
wird simuliert.
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5A und 5B sind
graphische Darstellungen, welche die Simulationsergebnisse zeigen. 5A repräsentiert
die Übertragungscharakteristik bei verschiedenen Winkeln θ,
wenn der Drehwinkel der Antriebsplatte 9 im Bereich von
0° bis 90° verändert wird. 5B repräsentiert
die Winkelabhängigkeit der Resonanzfrequenz. Aus den graphischen Darstellungen
wird deutlich, dass eine Resonanzfrequenz um ungefähr 2%
abgestimmt werden kann, wenn ein Einkristall-LiNbO3 als der anisotrope,
dielektrische Block 3 verwendet wird. Außerdem
wird aus 5A deutlich, dass eine Feinabstimmung nicht
nur in der Resonanzfrequenz erreicht werden kann, sondern auch in
der Bandbreite.
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In
der Simulation wird nur der horizontale Drehwinkel des anisotropen,
dielektrischen Blocks 3 in Bezug auf das Eingangssignal
verändert. Jedoch kann die Höhe des Stützstabs 4 zusammen
mit der Winkelanpassung verändert werden. In diesem Fall kann
die Feinabstimmung der Resonanzfrequenz und der Bandbreite effizienter
durchgeführt werden, indem der Abstandsbetrag (Abstand)
zwischen der supraleitenden Resonatorstruktur 2 und dem
anisotropen, dielektrischen Block 3 angepasst wird. Um solch
eine effiziente Abstimmung zu realisieren, ist ein Hohenanpassungsmechanismus
zum Steuern der Höhe des Stützstabs 4 zusammen
mit dem Winkelanpassungsmechanismus 15 erforderlich. Durch ein
Ersetzen des Stützstabs 4 durch einen Schraubtrimmer,
kann die Höhenanpassungsfunktion auf einfache Art und Weise
in dem Winkelanpassungsmechanismus 15 aufgenommen werden.
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6A und 6B sind
graphische Darstellungen zum Erklären der Veränderung
der magnetischen Permeabilität für das Eingangssignal,
wenn ein anisotroper, magnetischer Block 3 in der supraleitenden
Filtervorrichtung 10 verwendet wird, die in 1B gezeigt
ist. In diesem Beispiel wird ein Antiferromagnet als der anisotrope,
magnetische Block 3 verwendet. Beispiele für Antiferromagnete
umfassen Cr2O3, BiFeO3 und weitere geeignete Materialen. 6A zeigt
eine Magnetisierung, wenn ein magnetisches Feld H in der seitlichen
Richtung auf dem Zeichnungsblatt angelegt wird, und 6B zeigt eine
Magnetisierung, wenn ein magnetisches Feld H in der vertikalen Richtung
auf dem Zeichnungsblatt angelegt wird. Die horizontale Achse der
graphischen Darstellung repräsentiert die Stärke
des Magnetfelds H, und die vertikale Achse repräsentiert
die Stärke der Magnetisierung M. Die Steigung der Kurve entspricht
einer Permeabilität.
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In
einem Antiferromagnet werden benachbarte Spins in die von einander
entgegengesetzten Richtungen gelenkt, ohne ein externes Magnetfeld
(H = 0) anzulegen. Wenn ein Magnetfeld in der Richtung lotrecht
zum Spin angelegt wird, ist die Magnetisierungsstärke proportional
zu dem angelegten Magnetfeld H, und die Magnetisierungsrichtung
wird durch die Summe der Richtungen des externen Magnetfelds und
des internen Magnetfelds repräsentiert, welche durch eine
Untergittermagnetisierung von anderen Spins als dem anvisierten
Spin induziert werden. Wenn die Energie des angelegten Magnetfelds H
die anisotrope Energie der Spins überschrei tet, orientieren
sich alle Spins in die Richtung des externen Magnetfelds.
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Wenn
ein externes Magnetfeld in der Richtung parallel zu den Spins angelegt
wird, wird eine kleine Magnetisierung im Bereich A beobachtet, in welchem
die Energie des externen Magnetfelds die anisotrope Energie von
Spins nicht überschreitet. Mit anderen Worten variiert
die magnetische Permeabilität im Bereich einer kleinen
Stärke des externen Magnetfelds sehr, abhängig
von der Richtung des externen Magnetfelds, welches lotrecht oder
parallel zu der Untergittermagnetisierung von Spins ist. Im Allgemeinen
ist die Stärke des Magnetfelds H des Eingangssignals sehr
klein. Demzufolge kann die Permeabilität effizient verändert
werden, indem der Winkel oder die Orientierung des anisotropen,
magnetischen Blocks 3 in Bezug auf das Eingangssignal gesteuert
wird.
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Einen
Antiferromagnet zu verwenden ist vorteilhaft im Vergleich zu typischen
ferromagnetischen Substanzen, da der Einfluss eines Magnetfeldverlusts
auf den Supraleiter verhindert werden kann. Anstelle des Antiferromagnets
kann ein Material, welches Eisenatome enthält, als der
anisotrope, magnetische Körper verwendet werden.
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Aus
dem Vorhergehenden können die Resonanzfrequenz und/oder
die Bandbreite einer supraleitenden Filtervorrichtung mit einer
hohen Präzision abgestimmt werden, und kann eine gewünschte
Filtercharakteristik erhalten werden. Aufgrund der einfachen Struktur
wird der Herstellungsertrag verbessert und wird der Bereich einer
gewerblichen Anwendbarkeit (einschließlich abstimmbare
Filter) erweitert.
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Obwohl
die Erfindung durch Verwendung spezifischer Beispiele beschrieben
wurde, ist die Erfindung nicht auf die Beispiele beschränkt.
Beispielsweise kann ein beliebiges supraleitendes Oxidmaterial anstelle
des dünnen YBCO-Films verwendet werden, um eine Resonatorstruktur
zu for men. Solche supraleitenden Oxidmaterialien umfassen ein RBCO(R-Ba-Cu-O)-Material,
in welchem Nd, Sm, Gd, Dy oder Ho anstelle von Ittoyttrium (Y) als
das R-Element verwendet wird, sind aber nicht darauf beschränkt.
Außerdem können auch BSCCO (Bi-Sr-Ca-Cu-O) basierende
Materialien, PBSCCO (Pb-Bi-Sr-Ca-Cu-O) basierende Materialien, CBCCO (Cu-Bap-Caq-Cur-Ox, 1,5 < p < 2,5, 2,5 < q < 3,5, 3,5 < r < 4,5) basierende
Materialien als das supraleitende Material verwendet werden.
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Die
dielektrische Basis 1, auf welcher die supraleitende Resonatorstruktur 2 angeordnet
ist, ist nicht auf das MgO-Einkristallsubstrat beschränkt, welches
in dem Ausführungsbeispiel verwendet wird. Ein LaAlO3-Substrat,
ein Saphir-Substrat und jedes andere geeignete dielektrische Material
können verwendet werden.
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Gleichermaßen
ist der Winkelanpassungsmechanismus nicht auf einen Drehmechanismus
beschränkt, welcher sich ein piezoelektrisches Element zu
Nutze macht. Beispielsweise kann ein motorgetriebender Drehmechanismus,
ein handbetriebener Drehmechanismus oder ein beliebiger Mechanismus,
welcher in der Lage ist, den horizontalen Winkel oder die Orientierung
des anisotropen, dielektrischen oder magnetischen Blocks in Bezug
auf das Eingangssignal zu verändern, verwendet werden.
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Der
Stützstab 4 kann durch ein beliebiges Stützmittel
ersetzt werden, so lange der anisotrope, dielektrische oder magnetische
Körper auf eine sichere und stabile Art und Weise gehalten
wird.
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Diese
Patentanmeldung basiert auf den und beansprucht den Vorteil der
früheren Anmeldetage der
japanischen
Patentanmeldung Nr. 2007-001020 , eingereicht am 9. Januar
2007, deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - G. Subramanyam,
et al., "Design and development of ferroelectric tunable HTS microstrip
filters for Ku- and K-band applications", Materials Chemistryand
Physics 79 (2003) 147–150 [0003]