DE102019105941A1

DE102019105941A1 - Resonator mit Temperaturkompensation

Info

Publication number: DE102019105941A1
Application number: DE102019105941.0A
Authority: DE
Inventors: Dennis Epple; Michael Franz; Jean Parlebas; Ruben Bühler
Original assignee: Tesat Spacecom & Cokg GmbH; Tesat Spacecom GmbH and Co KG
Current assignee: Tesat Spacecom & Cokg GmbH; Tesat Spacecom GmbH and Co KG
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2020-09-10
Also published as: US11424523B2; FR3093594A1; FR3093594B1; US20200287261A1

Abstract

Es ist ein Resonator (2) für ein Filter beschrieben. Der Resonator enthält ein Resonatorgehäuse (4), in welchem ein Resonatorraum (6) ausgebildet ist. Der Resonator weist weiterhin eine in dem Resonatorraum (6) angeordnete dielektrische Anordnung bestehend aus einem ersten dielektrischen Element (8A) und einem zweiten dielektrischen Element (8B) auf, wobei das erste dielektrische Element (8A) und das zweite dielektrische Element (8B) so voneinander beabstandet sind, dass dazwischen ein Spalt (12) ausgebildet ist. Sowohl ein erster thermischer Ausdehnungskoeffizient des ersten dielektrischen Elements (8A) als auch ein zweiter thermischer Ausdehnungskoeffizient des zweiten dielektrischen Elements (8B) sind niedriger ist als ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Resonatorgehäuses (4). Somit kann eine temperaturbedingte Veränderung der Resonanzfrequenz des Resonators ausgeglichen werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Resonator, insbesondere einen Hochfrequenzresonator, sowie ein Filter, das einen solchen Resonator aufweist. Der Resonator ist ausgestaltet, um eine temperaturbedingte Veränderung der Resonanzfrequenz mindestens teilweise zu kompensieren. Das Filter kann beispielsweise in einem Ausgangsmultiplexer (OMUX, output multiplexer) oder einem Eingangsmultiplexer (IMUX, input multiplexer) integriert sein.
HINTERGRUND
Resonatoren können beispielsweise als Komponenten für Frequenzfilter genutzt werden. In einem Filter werden typischerweise mehrere solcher Resonatoren miteinander gekoppelt, um Signale in einem gewünschten Frequenzband zu übertragen oder passieren zu lassen. Ein Resonator weist üblicherweise ein Gehäuse auf, welches einen Hohlraum (kann auch als Kavität oder Resonanzraum bezeichnet werden) mindestens teilweise umschließt. In dem Gehäuse können Blenden angeordnet sein, die als Öffnungen in der Gehäusewand ausgestaltet sind, um bei Einkopplung eines Signals die gewünschten Moden in dem Hohlraum anzuregen.
DE 10 2012 020 576 A1 beschreibt den grundsätzlichen Aufbau eines Resonators und zusätzlich eine Möglichkeit, die Bandbreite einzustellen.
Insbesondere hängen die Übertragungseigenschaften eines Resonators (insbesondere die Resonanzfrequenz und Bandbreite) von seiner Dimension und Form, allgemein von der geometrischen Ausgestaltung, ab. Als weitere Möglichkeit, die Übertragungseigenschaften eines Resonators zu beeinflussen, kann ein Dielektrikum in dem Hohlraum des Resonators angeordnet werden.
Ein Dielektrikum in einem Resonator ist in der DE 10 2016 107 955 A1 und EP 3 240 102 A1 beschrieben, wobei dort ein Flüssigkristall als Dielektrikum fungiert. Das Dielektrikum wird genutzt, um eine Resonanzfrequenz oder Mittenfrequenz des Resonators vorzugeben. Um die Permittivität des Flüssigkristalls anzupassen, wird ein elektrisches Steuerfeld verwendet.
Resonatoren werden miteinander gekoppelt, um sodann als Filter verwendet zu werden. Die Filter werden beispielsweise als Bestandteil von Kommunikationsanlagen in Satelliten genutzt. Werden solche Resonatoren in Satelliten eingesetzt, so unterliegen die Resonatoren im Weltraum teilweise großen Temperaturschwankungen von 100 K oder noch mehr. Temperaturschwankungen beeinflussen die Resonanzfrequenz eines Resonators, insbesondere weil sich die genutzten Komponenten gemäß ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausdehnen oder kontrahieren. Diese Veränderungen beeinflussen die Übertragungseigenschaften eines Resonators und stellen oftmals unerwünschte Veränderungen dar.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vereinfachte Möglichkeit für eine Temperaturkompensation eines Resonators anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Temperaturkompensation auf passive Art und Weise und ohne Bedarf an einer aktiven Steuerung erfolgt. Hierfür werden in der Kavität eines Resonators dielektrische Elemente angeordnet, welche dafür sorgen, dass eine temperaturbedingte Veränderung der Resonanzfrequenz auf Grund von thermisch bedingter Ausdehnung oder Kontraktion des Resonators ausgeglichen wird.
Gemäß einem Aspekt ist ein Resonator für ein Filter angegeben. Der Resonator weist ein Resonatorgehäuse, in welchem ein Resonatorraum ausgebildet ist, und eine in dem Resonatorraum angeordnete dielektrische Anordnung bestehend aus einem ersten dielektrischen Element und einem zweiten dielektrischen Element auf. Das erste dielektrische Element und das zweite dielektrische Element sind so voneinander beabstandet, dass dazwischen ein Spalt ausgebildet ist, wobei sowohl ein erster thermischer Ausdehnungskoeffizient des ersten dielektrischen Elements als auch ein zweiter thermischer Ausdehnungskoeffizient des zweiten dielektrischen Elements niedriger ist als ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Resonatorgehäuses.
Bei dem Resonator kann es sich beispielsweise um einen Hochfrequenz-Resonator für die Verwendung in einem Satelliten handeln. Die Resonanzfrequenz eines Resonators hängt insbesondere von der Ausgestaltung des Resonator ab. Entsprechend kann ein Resonator an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Beispielsweise kann eine Resonanzfrequenz von 3,4 GHz durch eine bestimmte Geometrie des Resonators erzielt werden. Dieselbe Resonanzfrequenz kann auch erzielt werden, wenn ein Resonator einen kleineren Resonatorraum aufweist, wenn in dem Resonatorraum ein Dielektrikum angeordnet ist. Insbesondere für Satelliten hat dies den Vorteil, dass der benötigte Bauraum kleiner ist, wenn in dem Resonatorraum ein Dielektrikum angeordnet ist, um die Resonanzfrequenz auf den gewünschten Wert einzustellen.
In Satelliten, welche sich in einer Erdumlaufbahn befinden, kann die Temperatur sehr stark schwanken. Ist der Satellit der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt, wird der Satellit und seine Komponenten stark aufgeheizt. Befindet sich der Satellit hingegen in dem Erdschatten, fällt die Temperatur auf sehr niedrige Werte. Veränderungen der Temperatur beeinflussen auch die Resonanzfrequenz und damit die Übertragungseigenschaften eines Resonators, was in der Regel unerwünscht ist. Üblicherweise führt eine ansteigende Temperatur zu einer thermischen Ausdehnung. In einem Resonator führt dies dazu, dass sich auch das Volumen des Resonatorraums vergrößert. Typischerweise verändert sich die Resonanzfrequenz dahingehend, dass sie mit ansteigender Temperatur und einem größer werdenden Volumen des Resonatorraums kleiner wird.
Dieses Verhalten wird vorliegend dadurch ausgeglichen bzw. kompensiert, dass zwei dielektrische Elemente einander gegenüberliegend und mit einem Spalt dazwischen angeordnet sind und weiterhin dadurch, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der dielektrischen Elemente niedriger sind als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Resonatorgehäuses.
Steigt die Temperatur an, dehnt sich der Resonator aus und das Volumen des Resonatorraums nimmt zu. Bei fallender Temperatur gilt natürlich das Gegenteil. Die in dem Resonatorraum angeordneten dielektrischen Elemente denen sich ebenfalls aus oder kontrahieren, allerdings um ein niedrigeres Maß als der Resonatorraum. Weiterhin verändert sich der Abstand zwischen den beiden dielektrischen Elementen, d.h., dass die Breite des Spalts sich verändert. Bei steigender Temperatur nimmt der Abstand zwischen den dielektrischen Elementen zu und bei fallender Temperatur nimmt der Abstand zwischen den dielektrischen Elementen ab. Die thermische Ausdehnung der dielektrischen Elemente sowie die Veränderung der Dimensionen des Spalts zwischen den dielektrischen Elementen als Folge der thermischen Ausdehnung der dielektrischen Elemente kompensieren die Veränderung der Resonanzfrequenz in Folge der thermischen Ausdehnung des Resonatorgehäuses.
Die beiden dielektrischen Elemente haben die Funktion, elektrische Feldlinien innerhalb des Resonatorgehäuses zu bündeln und dadurch die Übertragungseigenschaften des Resonators zu beeinflussen. In Abhängigkeit davon, welche Mode in dem Resonator angeregt werden soll, werden die dielektrischen Elemente in dem Resonatorraum angeordnet. Prinzipiell wird diese Funktion auch von einem einzelnen dielektrischen Element erfüllt. Vorliegend und für die hier beschriebenen Zwecke wird die Funktion des dielektrischen Elementes von einem Paar von dielektrischen Elementen erfüllt. Der Spalt zwischen den beiden dielektrischen Elementen hat einen Einfluss auf die Hochfrequenzeigenschaften dieser beiden dielektrischen Elemente. Weil der Spalt zwischen den dielektrischen Elementen angeordnet ist, kann die Resonanzfrequenz des Resonators trotz Veränderung der Temperatur und unterschiedlicher absoluter thermisch bedingter Ausdehnung von Resonatorgehäuse und dielektrischen Elementen auf demselben Wert oder im Wesentlichen demselben Wert gehalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform haben der erste thermische Ausdehnungskoeffizient und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient einen gleichen Wert.
Dies bedeutet, dass sich die einander zugewandten Stirnseiten der dielektrischen Elemente bei einer Veränderung der Temperatur um das jeweils gleiche Maß aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegen. Insbesondere sind die dielektrischen Elemente aus dem gleichen Material gefertigt.
In einer alternativen Ausführungsform können die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der dielektrischen Elemente auch verschieden sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform haben das erste dielektrische Element und das zweite dielektrische Element einen identischen Querschnitt.
Dies kann die Eigenschaft haben, dass die Feldlinien im Inneren des Resonatorraums mit einer besseren Wirkung gebündelt und/oder von dem ersten dielektrischen Element auf das zweite dielektrische Element durch den Spalt übertragen werden. Insbesondere haben die Stirnflächen der beiden dielektrischen Elemente eine identische Größe und Form. Als Stirnfläche kann insbesondere diejenige Fläche eines dielektrischen Elements betrachtet werden, welche als zusammenhängende Fläche am nächsten an dem anderen dielektrischen Element ist.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Querschnitte der dielektrischen Elemente verschieden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste dielektrische Element und das zweite dielektrische Element einander gegenüberliegend angeordnet.
Die dielektrischen Elemente können beispielsweise als Quader ausgestaltet sein. Dabei sind die Quader insbesondere so in dem Resonatorraum angeordnet, dass sie sich in Längsrichtung der beiden Quader gegenüberliegen. Beispielsweise fallen die Längsachsen der beiden Quader zusammen. Die Längsrichtung und die Längsachse eines Quaders wird definiert durch diejenigen Kanten des Quaders, welche im Vergleich zu den anderen Kanten am längsten sind. Beispielsweise verlaufen die Feldlinien in dem Resonatorraum durch die beiden dielektrischen Elemente ebenfalls in Längsrichtung der Quader. In derselben Richtung verlaufen die Feldlinien des Feldes in dem Resonatorraum durch den Spalt zwischen den dielektrischen Elementen.
Die beiden dielektrischen Elemente sind so angeordnet, dass sie in einem Hochfrequenzsystem miteinander gekoppelt sind, was sich insbesondere daraus ergibt, dass die elektrischen Feldlinien innerhalb des Resonatorraums durch den Spalt zwischen dem ersten dielektrischen Element und dem zweiten dielektrischen Element verlaufen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste dielektrische Element und das zweite dielektrische Element so angeordnet, dass sich ihr Querschnitt ohne seitlichen Versatz überlappt.
Betrachtet man eine Projektion der dielektrischen Elemente aus einer Blickrichtung, welche der Verlaufsrichtung der Feldlinien durch den Spalt entspricht, so sind die Projektionen der beiden dielektrischen Elemente in dieser Ausführungsform identisch. Aus derselben Blickrichtung betrachtet sind die dielektrischen Elemente zudem so angeordnet, dass es mit Bezug auf diese Blickrichtung keinen Überlapp nach links/rechts und/oder unten/oben zwischen den beiden dielektrischen Elementen gibt.
Insbesondere sind die dielektrischen Elemente so angeordnet, dass sich ihre einander zugewandten Stirnseiten seitlich nicht überlappen. Dies kann einen Vorteil für die Güte der Kopplung zwischen den beiden dielektrischen Elementen haben.
Es ist denkbar, dass die aufeinander zuweisenden Enden der dielektrischen Elemente stufenartig mit zumindestens einer Stufe ausgestaltet sind. Die dielektrischen Elemente können dann so einander gegenüberliegend angeordnet sein, dass die Abstände zwischen den Stirnflächen der einzelnen Stufen gleich oder nahezu gleich sind. Allerdings können die Abstände zwischen den einzelnen Stufen auch unterschiedlich sein, was beispielsweise dazu dienen kann, die Resonanzfrequenz wunschgemäß einzustellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Resonatorgehäuse zumindest eine Blende auf, welche als Öffnung in einer Seitenwand des Resonatorgehäuses ausgebildet ist.
Grundsätzlich kann die Blende in jeder Wand des Resonatorgehäuses angeordnet sein. Die Blende dient dazu, ein elektrisches Feld in den Resonator einzuspeisen. Das Resonatorgehäuse kann auch mehr als eine Blende aufweisen, beispielsweise zwei Blenden. Eine Blende dient dazu, ein Signal einzuspeisen, wohingegen die andere Blende dazu dient, das Ausgangssignal abzugeben oder ein Abgreifen des Signals zu ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform verläuft eine Erstreckungsrichtung des Spalts von dem ersten dielektrischen Element zu dem zweiten dielektrischen Element quer zu einer Verbindungslinie zwischen den zwei Blenden.
Die Erstreckungsrichtung des Spalts entspricht der oben bereits angesprochenen Längsrichtung der dielektrischen Elemente. Die Feldlinien in dem Resonatorraum verlaufen quer zu einer Ebene, in welcher sich eine Blende befindet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die dielektrische Anordnung mechanisch mit dem Resonatorgehäuse gekoppelt, so dass eine thermische Ausdehnung des Resonatorgehäuses sich auf eine relative Position zwischen dem ersten dielektrischen Element und dem zweiten dielektrischen Element auswirkt und eine Dimension des Spalts beeinflusst.
Die dielektrische Anordnung mitsamt den dielektrischen Elementen ist mit dem Resonatorgehäuse verbunden. Dehnt sich das Resonatorgehäuse infolge einer Temperaturveränderung aus, beeinflusst dies auch den Abstand zwischen den dielektrischen Elementen. Der Einfluss des veränderten Volumens des Resonatorraums auf die Resonanzfrequenz wird von einem entgegengerichteten Einfluss des veränderten Spalts zwischen den dielektrischen Elementen kompensiert oder im Wesentlichen kompensiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste dielektrische Element und das zweite dielektrische Element an einander gegenüberliegenden Positionen einer Innenfläche des Resonatorgehäuses angeordnet.
Beispielsweise kann das erste dielektrische Element an einer linken Seitenfläche und das zweite dielektrische Element an einer rechten Seitenfläche des Resonatorgehäuses angeordnet sein. Je nach Blickrichtung kann natürlich auch eine vordere Seitenfläche und eine hintere Seitenfläche genutzt werden, um die beiden dielektrischen Elemente zu fixieren. Die Position der dielektrischen Elemente sowie deren Orientierung innerhalb des Resonatorgehäuses hängt im wesentlichen von der Anordnung der Blenden ab.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste dielektrische Element und das zweite dielektrische Element jeweils an einer einzelnen ihrer Seitenflächen mit dem Resonatorgehäuse verklebt.
Die dielektrischen Elemente können an irgendeiner Innenfläche des Resonatorgehäuses geklebt oder sonst wie befestigt sein. Beispielsweise können die dielektrischen Elemente über eine Steckverbindung, Klemmverbindung oder Schraubverbindung mit dem Resonatorgehäuse mechanisch verbunden sein.
Es kann vorteilhaft sein, wenn ein dielektrisches Element lediglich punktuell oder auf einer kleinstmöglichen Fläche mit der Innenfläche des Resonatorgehäuses verklebt ist. Dies kann einen mechanischen Spannungsaufbau reduzieren, wenn sich das Resonatorgehäuse und das damit verklebte dielektrische Element in unterschiedlichem Maße ausdehnen oder kontrahieren.
Besonders bevorzugt ist das dielektrische Element lediglich an einer seiner Flächen mit der Innenfläche des Resonatorgehäuses verklebt. Auch dies kann das Ausmaß der mechanischen Spannungen resultierend aus den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten reduzieren. Beispielsweise ist eine dem Spalt entgegengesetzte Fläche des dielektrischen Elements mit der Innenfläche des Resonatorgehäuses verklebt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste dielektrische Element und das zweite dielektrische Element mittelbar über jeweils einen Haltearm oder ein Stützelement mit dem Resonatorgehäuse gekoppelt.
Der Haltearm kann beispielsweise an irgendeiner Fläche des dielektrischen Elements mechanisch befestigt (verklebt, verschraubt, geklemmt, etc.) sein. Das andere Ende des Haltearms ist mit dem Resonatorgehäuse verbunden (verklebt, verschraubt, geklemmt, einstückig ausgeführt, etc.). Somit kann der Haltearm je nach gewünschter Position und Orientierung des dielektrischen Elements innerhalb des Resonatorgehäuses ausgestaltet sein.
Ein Haltearm kann dann vorteilhaft sein, wenn das dielektrische Element über den Haltearm an einer Seitenwand des Resonatorgehäuses befestigt ist. Ein Stützelement oder Podest bietet sich dann an, wenn das dielektrische Element mit der Bodenfläche des Resonatorgehäuses oder einem Deckel verbunden ist. Jedenfalls erfüllen sowohl der Haltearm als auch das Stützelement eine vergleichbare Funktion, nämlich das dielektrische Element innerhalb des Resonatorgehäuses zu halten, positionieren und orientieren. Wird ein Haltearm oder ein Stützelement verwendet, berührt das hieran befestigte dielektrische Element nicht unmittelbar eine der Innenflächen des Resonatorgehäuses.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die dielektrische Anordnung ein drittes dielektrisches Element und ein viertes dielektrisches Element auf, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind, so dass zwischen ihnen ein Abstand vorliegt, der einen Spalt bildet, wobei eine Erstreckungsrichtung des Spalts zwischen dem ersten dielektrischen Element und dem zweiten dielektrischen Element und eine Erstreckungsrichtung des Spalts zwischen dem dritten dielektrischen Element und dem zweiten dielektrischen Element orthogonal zueinander verlaufen.
Das dritte dielektrische Element und das vierte dielektrische Element können als zweites Paar dielektrischer Elemente bezeichnet werden. In einer Ausführungsform ist dieses zweite Paar dieelektrischer Elemente mit Bezug zu dem ersten Paar dielektrischer Elemente (erstes und zweites dielektrisches Element) so angeordnet, dass die vier dielektrischen Elemente ein Kreuz bilden. Es ist möglich, dass sich die einander zugewandten Stirnseiten eines Paares dieelektrischer Elemente in den Spalt, welcher von den dielektrischen Elementen des anderen Paares gebildet wird, hinein erstrecken. Allgemein bedeutet dies, dass die Spaltbreite des ersten Paares dielektrischer Elemente unabhängig ist von der Spaltbreite des zweiten Paares dielektrischer Elemente. Die dielektrischen Elemente des ersten Paares können sich von den dielektrischen Elementen des zweiten Paares unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich Größe, Querschnitt und Material.
Jedes Paar dielektrischer Elemente ist vorgesehen, eine bestimmte Mode innerhalb des Resonatorgehäuses zu nutzen. Dabei ist jedes Paar gemäß den allgemeinen Grundsätzen, wie mit Bezug zu dem ersten Paar beschrieben, aufgebaut. Die einzelnen Paare aus dielektrischen Elementen können grundsätzlich unabhängig voneinander innerhalb des Resonatorgehäuses angeordnet sein. Die Positionierung und Orientierung der Paare von dielektrischen Elementen hängt von den zu nutzenden Moden ab.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Resonatorgehäuse Aluminium oder Stahl oder eine Legierung basierend auf einem dieser Materialien auf.
Allgemein ist das Resonatorgehäuse aus einem solchen Material gefertigt, welches für den Einsatz in einem Satelliten außerhalb der Erdatmosphäre und zudem für den vorgesehenen Verwendungszweck in einem Filter geeignet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die dielektrische Anordnung Aluminiumoxid (A1203) auf.
Das dielektrische Element besteht mindestens zum Teil aus Aluminiumoxid. Es kann zusätzlich Beigaben von anderen Materialien enthalten. Grundsätzlich kann die dielektrische Anordnung jegliches dielektrisches Material aufweisen. Die für zwei dielektrische Elemente verwendeten dielektrischen Materialien können gleich oder verschieden sein.
Der hier beschriebene Resonator kann insbesondere verwendet werden für Kommunikationsanlagen, welche im Hochfrequenzbereich arbeiten, beispielsweise im C-Band (insbesondere bei 3,4 - 4,8 GHz) und im Ku-Band (insbesondere bei 10,7 - 12,75 GHz). Gerade in diesen Frequenzbändern werden Resonatoren mit vergleichsweise zu anderen Frequenzbändern sehr großen Resonatorräumen benötigt. Daher wird bevorzugt ein Dielektrikum eingesetzt, um die benötigten hohen Resonanzfrequenzen zu erzielen. Das Dielektrikum verringert die Resonanzfrequenz, womit im Gegenzug das Volumen des Resonatorraums reduziert werden kann. Hierdurch wird gerade bei Weltraumanwendungen kostbarer Bauraum eingespart.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Filter, insbesondere ein Hochfrequenzfilter für die oben genannten Frequenzbänder, angegeben. Das Filter weist mindestens zwei Resonatoren wie hierin beschrieben auf, wobei die mindestens zwei Resonatoren miteinander gekoppelt sind. Beispielsweise sind die zwei Resonatoren so miteinander gekoppelt, dass sie einen Bandpass darstellen, welcher für Signale, die in dem Frequenzbereich der kumulierten Resonanzfrequenzen der miteinandergekoppelten Resonatoren liegen, durchlässig ist. Das Filter kann aus einer beliebigen Anzahl von Resonatoren hergestellt sein.
Beispielsweise kann das Filter ein Imux-Filter oder ein Omux-Filter für eine Kommunikationsanlage eines Kommunikationssatelliten sein. Das Filter kann im Hochfrequenzbereich verwendet werden, beispielsweise im Bereich von mehreren GHz bzw. in den für die Satellitenkommunikation üblichen Frequenzbändern, insbesondere den oben genannten Frequenzbändern.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Resonatorraumes;
2 zeigt eine schematische Darstellung der Resonanzfrequenz eines Resonators in Abhängigkeit von der Temperatur;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Resonators gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Resonators gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 zeigt eine schematische Darstellung der Resonanzfrequenz eines Resonators in Abhängigkeit von der Veränderung eines Spalts zwischen gegenüberliegenden dielektrischen Elementen;
6 zeigt eine schematische Darstellung des Effekts der Temperaturkompensation in einem Resonator gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Resonators gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Resonator gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Resonators gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10 zeigt eine schematische Darstellung eines Resonators gemäß einem Ausführungsbeispiel;
11 zeigt eine schematische Darstellung eines Filters gemäß einem Ausführungsbeispiel.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Dabei ist zu beachten, das gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu.
1 zeigt zu Veranschaulichungszwecken einen Resonatorraum 6 eines Resonators 2. In der beispielhaften Darstellung ist der Innenraum des Resonators, d.h. der Resonatorraum 6 gezeigt. Der Resonatorraum ist zylinderförmig. D.h., dass der Resonator eine Kavität oder eine Ausnehmung dieser Form aufweist. Es ist selbstverständlich auch möglich, dass der Resonatorraum gemäß anderen geometrischen Formen ausgestaltet ist.
Unter anderem von der Form und den Ausmaßen des Resonatorraums 6 ist die Resonanzfrequenz des Resonators abhängig. Eine weitere Maßnahme, um die Resonanzfrequenz anzupassen, ist ein dielektrisches Element 8, welches innerhalb des Resonatorraums 6 angeordnet ist.
Grundsätzlich wird mit Bezug zu 1 auch der Einfluss der Temperatur auf die Geometrie, und somit auf die Resonanzfrequenz, des Resonators und des Resonatorraums 6 gezeigt. Der allgemeine Zusammenhang zwischen Temperatur und Resonanzfrequenz ist in 2 gezeigt. Mit steigender Temperatur (horizontale Achse) vergrößert sich das Volumen des Resonatorraums 6 und die Resonanzfrequenz (vertikale Achse) nimmt ab. Die Ausdehnung oder Kontraktion des Resonators ist linear bzw. nahezu linear, so dass sich auch die Resonanzfrequenz linear Beziehung weise nahezu linear verändert.
Verändert sich die Temperatur des Resonators, dehnt sich der Resonator, und damit der Resonatorraum 6, aus bzw. kontrahiert, was mit den beiden Pfeilen außerhalb des Resonatorraums 6 angedeutet ist. Eine Veränderung der Temperatur hat natürlich auch zur Folge, dass sich das Dielektrikum 8 innerhalb des Resonatorraums ausdehnt bzw. kontrahiert. Diese Veränderung der Dimension wird angezeigt mit den Pfeilen, welche unterhalb und links von dem Dielektrikum 8 gezeigt sind. Allerdings verlaufen die thermische Expansion oder Kontraktion von Resonator und Dielektrikum nicht immer in einem solchen Maße, dass die Resonanzfrequenz gleich bleibt. Vielmehr bedarf es hierfür einer Kompensation.
Bezugnehmend auf 3 wird nun ein Resonator 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Das Resonatorgehäuse kann beispielsweise einen Bodenabschnitt aufweisen, der einstückig mit den Resonatorraum begrenzenden Seitenwänden ausgebildet ist, so dass das Resonatorgehäuse zumindest teilweise becherförmig ausgebildet ist. Das offene Ende dieses Aufbaus kann durch einen Deckel verschlossen werden, der dann einen Teil des Resonatorgehäuses bildet. Die genannten Elemente des Resonatorgehäuses können aus dem gleichen Material, beispielsweise einem Metall (insbesondere Aluminium oder Stahl oder eine Legierung basierend auf einem oder beiden dieser Elemente), hergestellt sein. Das Resonatorgehäuse kann Gewindebohrungen aufweisen, in die Montageschrauben zum Befestigen des Deckels eingeschraubt werden können.
Der Resonatorraum weist eine Innenwand auf, welche den Resonatorraum zumindest abschnittsweise begrenzt und sich um den Resonatorraum herum erstreckt. Die Innenwand kann durch Blendenöffnungen unterbrochen sein oder es können Blendenöffnungen in der Innenwand vorgesehen sein.
In dem Resonatorraum 6 des Resonators 2 ist ein erstes dielektrisches Element 8A und ein zweites dielektrisches Element 8B angeordnet. In der Darstellung der 3 verläuft die Längsrichtung der dielektrischen Elemente von links nach rechts. Das erste und das zweite dielektrische Element sind in Längsrichtung so voneinander beabstandet, dass zwischen ihnen ein Spalt 12 gebildet ist. Mit der jeweiligen äußeren Fläche, das heißt mit der dem Spalt entgegengesetzten Fläche, ist jedes dielektrische Element mit der Innenwand des Resonatorgehäuses mechanisch gekoppelt. Die linke Fläche des ersten dielektrischen Elements und die rechte Fläche des zweiten dielektrischen Elements sind beispielsweise an der Innenwand des Resonatorgehäuses geklebt.
Wird nun in eine Blende (nicht gezeigt, könnte sich in dem Beispiel der 3 in der Deckenfläche des Resonators befinden) des Resonators ein Signal eingespeist, entsteht ein elektrisches Feld im Resonatorraum 6 und in Abhängigkeit des Signals wird eine Mode angeregt. Die dielektrischen Elemente beeinflussen die Feldlinien 10. Die Feldlinien 10 verlaufen durch den Spalt, beispielsweise orthogonal zu der Stirnfläche der dielektrischen Elemente. 3 zeigt einen Resonator für eine einzelne Mode. Ein paar aus dielektrischen Elementen, wie in 3 gezeigt, ist für das Anregen einer einzelnen Mode vorgesehen.
Ganz allgemein sind die zueinanderweisenden Stirnflächen der dielektrischen Elemente eines Paares von dielektrischen Elementen bevorzugt parallel zueinander.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Resonatorgehäuses und der dielektrischen Elemente sowie die Positionierung der dielektrischen Elemente innerhalb des Resonatorraums 6 sind so aufeinander abgestimmt, dass bei einer temperaturbedingten Veränderung der Dimensionen des Resonators die Resonanzfrequenz gleich bleibt. Auch wenn sich das Resonatorgehäuse ausdehnt oder kontrahiert, vollziehen die dielektrischen Elemente eine entsprechende Änderung (allerdings in geringerem Maße, da ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient geringer ist als derjenige des Resonatorgehäuses). Allerdings verändert sich auch der Abstand der dielektrischen Elemente an dem Spalt 12. Dieser Abstand kann kleiner oder größer werden. Diese Veränderung des Spalts 12 kompensiert den Einfluss der temperaturbedingten Veränderung der Ausmaße des Resonatorgehäuses auf die Resonanzfrequenz. Somit kann auf andere Maßnahmen für die Kompensation verzichtet werden. Beispielsweise ist es nicht nötig, Abgleichteller oder ähnliche mechanische Kompensationsvorrichtungen, elektrisch gesteuerte Kompensationsvorrichtungen, oder temperaturkompensierende bzw. selbstkompensierende dielektrische Elemente zu verwenden. Insgesamt kann mit dem hierin beschriebenen Resonator die Anzahl der verwendeten Elemente und damit die Komplexität eines Resonators reduziert werden.
Die Kombination aus dem ersten dielektrischen Element und dem zweiten dielektrischen Element wird vorliegend als dielektrische Anordnung bezeichnet. Die dielektrische Anordnung zeichnet sich allgemein dadurch aus, dass zwischen den beiden dielektrischen Elementen, welche auch als Teilresonatoren bezeichnet werden können, ein Spalt vorliegt bzw. die dielektrischen Elemente an dieser Stelle voneinander beabstandet sind. Es wurde festgestellt, dass bei einer solchen dielektrischen Anordnung die Dimension des Spalts einen Einfluss auf die Resonanzfrequenz hat.
4 zeigt den Zusammenhang zwischen der thermisch bedingten Längenänderung des Resonatorgehäuses bzw. des Resonatorraums 6 sowie der daraus resultierenden Änderung der Spaltsbreite 13 zwischen dem ersten und zweiten dielektrischen Element 8A und 8B.
Das Resonatorgehäuse hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, welcher größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizienten des ersten und zweiten dielektrischen Elements 8A und 8B. Nachdem die dielektrischen Elemente an dem Resonatorgehäuse befestigt sind, führt diese Konstellation dazu, dass sich die Spaltbreite 13 vergrößert, wenn die Temperatur steigt bzw. umgekehrt, dass sich die Spaltbreite 13 verkleinert, wenn die Temperatur fällt.
Bei steigender Temperatur dehnt sich das Resonatorgehäuse aus, wie der Pfeil außerhalb des Resonatorraums 6 anzeigt. Allerdings dehnen sich auch die dielektrischen Elemente innerhalb des Resonatorraums aus, wie die Pfeile unterhalb der dielektrischen Elemente zeigen. Das Ausmaß der Längenänderung der dielektrischen Elemente ist allerdings geringer als das Ausmaß der Längenänderung des Resonatorgehäuses. Somit vergrößert sich der Abstand zwischen den beiden dielektrischen Elementen, die Spaltbreite 13 nimmt zu. Ein größer werdender Abstand zwischen den beiden dielektrischen Elementen führt dazu, dass die Resonanzfrequenz des Resonators ansteigt.
5 zeigt schematisch den Einfluss der Spaltbreite auf die Resonanzfrequenz des Resonators. Mit steigender Temperatur (horizontale Achse) erhöht sich die Resonanzfrequenz (vertikaler Achse). Dieser Zusammenhang zwischen Temperatur und Resonanzfrequenz ist dem Zusammenhang aus 2 entgegengesetzt.
Die Spaltbreite 13 kann einen Wert zwischen einigen Hundertstel oder Zehntel Millimeter bis hin zu einigen Millimeter annehmen.
6 veranschaulicht die Überlagerung des Einflusses von Temperaturänderungen auf Resonatorgehäuse und Spaltbreite. Links ist das Frequenzverhalten eines Resonators ohne Temperaturkompensation gezeigt: mit zunehmender Temperatur fällt die Resonanzfrequenz (linear oder nahezu linear, dies entspricht der Darstellung der 2). In der Mitte ist das Frequenzverhalten über der Temperatur für einen Resonatorraum, welcher mit einer dielektrischen Anordnung wie hierin beschrieben ausgestattet ist, gezeigt: mit zunehmender Temperatur steigt die Resonanzfrequenz (linear oder nahezu linear, dies entspricht der Darstellung der 5). Die Kombination dieser beiden Effekte führt dazu, dass die Resonanzfrequenz des Resonators mindestens über einen Bereich der Temperatur konstant oder nahezu konstant ist, siehe rechts in 6.
7 zeigt einen Resonator, in dessen Resonatorraum 6 zwei Paare von dielektrischen Elementen angeordnet sind. Das erste Paar wird gebildet von den dielektrischen Elementen 8A und 8B. Das zweite Paar wird gebildet von den dielektrischen Elementen 9A und 9B. Die beiden Paare liegen in etwa auf derselben Höhe in einer Ebene und verlaufen in dieser Ebene in einem Winkel von 90° zueinander. Die Längsrichtung des ersten Paars verläuft von links nach rechts und die Längsrichtung des zweiten Paars verläuft von vorne nach hinten. Dieser Aufbau ermöglicht es, 2 Moden in dem Resonator zu nutzen. Die jeweiligen elektrischen Felder des ersten und zweiten Paars dielektrischer Elemente verlaufen orthogonal zueinander.
8 zeigt eine Schnittdarstellung in der Draufsicht auf einen Resonator wie in 3 oder 4 gezeigt, allerdings sind in 8 zusätzlich zwei Haltearme 14 gezeigt. Die Schnittdarstellung ist dabei so gewählt, dass der Resonator in etwa horizontal mittig geschnitten ist. Die Darstellung ist jedoch nur schematisch und dient der Erklärung der Ausgestaltung des Resonators 2.
Der in 8 gezeigte Resonator 2 weist ein Resonatorgehäuse 4 auf, welches in sich einen Resonatorraum 6 aufweist, in dem die Resonanzfrequenz einstellbar sein soll. Der Resonatorraum 6 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Bodenfläche begrenzt und ist darüber hinaus so aufgebaut, dass das obere Ende des Resonatorraums 6 durch einen geeigneten Deckel (nicht gezeigt) verschlossen werden kann.
In dem Resonatorraum 6 befinden sich zwei dielektrische Elemente 8A und 8B, die in einem bestimmten Abstand 13 voneinander beabstandet sind. Die dielektrischen Elemente werden in dem Resonatorraum 6 jeweils von einem Haltearm 14 gehalten. Ein Ende des Haltearms 14 ist mit einer Seitenwand des Resonatorgehäuses 4 verbunden. Das andere Ende des Haltearms 14 ist mit einem dielektrischen Element verbunden, beispielsweise mit einer Seitenfläche des dielektrischen Elements verklebt. Der Haltearm kann aus demselben Material gefertigt sein wie das Resonatorgehäuse. Der Haltearm kann ein röhrenartiger oder stabförmiger metallischer Gegenstand (hohl oder Vollmaterial) sein.
9 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung auf den Resonator aus 3 und 4, allerdings sind in 9 zusätzlich zwei Stützelemente 16 gezeigt. Die Stützelemente 16 können auch als Podest bezeichnet werden. Die dielektrischen Elemente 8A, 8B liegen auf dem Stützelement 16 auf. Somit fixiert das Stützelement 16 die dielektrischen Elemente mit Bezug zu einer Bodenfläche des Resonatorgehäuses 4.
Die Stützelemente können mittig an der Unterseite der dielektrischen Elemente angeordnet sein.
Allerdings können die Stützelemente auch außermittig an der Unterseite befestigt sein. Bevorzugt werden die Stützelemente in Richtung der äußeren Enden (den dem Spalt zwischen den dielektrischen Elementen entgegengesetzten Enden) versetzt, damit eine thermisch bedingte Längenveränderung der dielektrischen Elemente sich entsprechend auf den Abstand zwischen den dielektrischen Elementen auswirkt.
10 zeigt eine Außenansicht auf den Resonator 2 mit dem Resonatorgehäuse 4. In den Seitenwänden des Resonatorgehäuses 4 können Blenden 18 angeordnet sein. Diese Blenden dienen dazu, ein elektrisches Signal in den Resonator einzukoppeln bzw. zu entnehmen. Die dielektrische Anordnung ist innerhalb des Resonatorgehäuses 4 so angeordnet, dass ein über eine Blende 18 eingekoppeltes elektrisches Signal eine Mode in dem Resonatorraum 6 anregt.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass der Aufbau des Resonatorgehäuses 4 nicht auf den hier gezeigten Aufbau beschränkt ist. Je nach Einsatzbereich des Resonators kann das Resonatorgehäuse mit einer geigneten oder gewünschten Anzahl von Blenden 18 und in einer anderen Form ausgebildet sein.
11 zeigt eine schematische Darstellung eines Filters 100. Das Filter 100 weist mehrere in Reihe geschaltete Resonatoren 2 auf. Jeder Resonator 2 kann auf eine individuelle Resonanzfrequenz eingestellt sein. Ein solches Filter kann in einem Übertragungspfad eines Kommunikationssatelliten verwendet werden.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ oder „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele oder Ausgestaltungen beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele oder Ausgestaltungen verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

2: Resonator
4: Resonatorgehäuse
6: Resonatorraum
8: Dielektrikum
8A: erstes dielektrisches Element
8B: zweites dielektrisches Element
9A: drittes dielektrisches Element
9B: viertes dielektrisches Element
10: Feldlinien
12: Spalt
13: Spaltbreite
14: Haltearm
16: Podest, Stützelement
18: Blende
100: Filter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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 Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012020576 A1 [0003]
DE 102016107955 A1 [0005]
EP 3240102 A1 [0005]

Claims

Resonator (2) für ein Filter (100), der Resonator aufweisend: ein Resonatorgehäuse (4), in welchem ein Resonatorraum (6) ausgebildet ist, eine in dem Resonatorraum (6) angeordnete dielektrische Anordnung bestehend aus einem ersten dielektrischen Element (8A) und einem zweiten dielektrischen Element (8B), wobei das erste dielektrische Element (8A) und das zweite dielektrische Element (8B) so voneinander beabstandet sind, dass dazwischen ein Spalt (12) ausgebildet ist, wobei sowohl ein erster thermischer Ausdehnungskoeffizient des ersten dielektrischen Elements (8A) als auch ein zweiter thermischer Ausdehnungskoeffizient des zweiten dielektrischen Elements (8B) niedriger ist als ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Resonatorgehäuses (4).
Resonator (2) nach Anspruch 1, wobei der erste thermische Ausdehnungskoeffizient und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient einen gleichen Wert haben.
Resonator (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste dielektrische Element (8A) und das zweite dielektrische Element (8B) einen identischen Querschnitt haben.
Resonator (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das erste dielektrische Element (8A) und das zweite dielektrische Element (8B) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Resonator (2) nach Anspruch 4, wobei das erste dielektrische Element (8A) und das zweite dielektrische Element (8B) so angeordnet sind, dass sich ihr Querschnitt ohne seitlichen Versatz überlappt.
Resonator (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Resonatorgehäuse (4) zumindest eine Blende (18) aufweist, welche als Öffnung in einer Seitenwand des Resonatorgehäuses ausgebildet ist.
Resonator (2) nach Anspruch 6, wobei eine Erstreckungsrichtung des Spalts von dem ersten dielektrischen Element (8A) zu dem zweiten dielektrischen Element (8B) quer zu einer Verbindungslinie zwischen den zwei Blenden (18) verläuft.
Resonator (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Anordnung mechanisch mit dem Resonatorgehäuse gekoppelt ist, so dass eine thermische Ausdehnung des Resonatorgehäuses sich auf eine relative Position zwischen dem ersten dielektrischen Element (8A) und dem zweiten dielektrischen Element (8B) auswirkt und eine Dimension des Spalts (12) beeinflusst.
Resonator (2) nach Anspruch 7, wobei das erste dielektrische Element (8A) und das zweite dielektrische Element (8B) an einander gegenüberliegenden Positionen einer Innenfläche des Resonatorgehäuses (4) angeordnet sind.
Resonator (2) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das erste dielektrische Element (8A) und das zweite dielektrische Element (8B) jeweils an einer einzelnen ihrer Seitenflächen mit dem Resonatorgehäuse verklebt sind.
Resonator (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das erste dielektrische Element (8A) und das zweite dielektrische Element (8B) mittelbar über jeweils einen Haltearm (14) oder ein Stützelement (16) mit dem Resonatorgehäuse gekoppelt sind.
Resonator (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Anordnung ein drittes dielektrisches Element (9A) und ein viertes dielektrisches Element (9B) aufweist, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind, so dass zwischen ihnen ein Abstand vorliegt, der einen Spalt bildet, wobei eine Erstreckungsrichtung des Spalts zwischen dem ersten dielektrischen Element (8A) und dem zweiten dielektrischen Element (8B) und eine Erstreckungsrichtung des Spalts zwischen dem dritten dielektrischen Element (9A) und dem zweiten dielektrischen Element (9B) orthogonal zueinander verlaufen.
Resonator (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Resonatorgehäuse (4) Aluminium oder Stahl oder eine Legierung basierend auf einem dieser Materialien aufweist.
Resonator (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Anordnung Aluminiumoxid (Al₂O₃) aufweist.
Filter (100), aufweisend mindestens zwei Resonatoren (2), wobei jeder Resonator ein Resonator nach einem der voranstehenden Ansprüche ist, und wobei die mindestens zwei Resonatoren miteinander gekoppelt sind.