DE10257822B3

DE10257822B3 - Frequency tuning device for a cavity resonator or dielectric resonator

Info

Publication number: DE10257822B3
Application number: DE10257822A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Klein; Soami Daya Krishnananda
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2022-12-11
Also published as: EP1429457A2; ATE447793T1; DE50312086D1; EP1429457B1; EP1429457A3

Abstract

The device includes a metal layer (24) applied to a dielectric layer. The metal layer has at least one gap (25) which is bridged by at least one micromechanical structural member (27), whose distance to the metal layer can be varied. Independent claims are included for a cavity resonator or a dielectric resonator; a tunable filter structure; a tunable oscillator; and the use of a cavity resonator or dielectric resonator for frequency tuning a TE011/TE01delta wave type.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Frequenzabstimmung eines Hohlraumresonators oder dielektrischen Resonators und entsprechende Resonatoren mit einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a device for frequency tuning of a cavity resonator or dielectric Resonators and corresponding resonators with such a device.

Bedingt durch die intensive Nutzung verfügbarer Frequenzbänder in der Mikrowellenkommunikation, ist für zukünftige Generationen von Kommunikationssystemen eine möglichst flexible, d. h. zeitlich variable Nutzung von Teilbändern für bestimmte Zwecke unerläßlich. Beispielsweise werden bei intensivem Internetverkehr über mobile Kommunikationseinrichtungen die notwendigen Bandbreiten für den „uplink" vom mobilen Terminal zur Basisstation und den „downlink" umgekehrt zeitlich stark schwanken, so daß eine zeitlich variable, Software gesteuerte Zuordnung von Frequenzintervallen zur Steigerung der übertragbaren Datenraten, führen kann. Für solche Aufgaben sind schnell abstimmbare Mikrowellenfilter, auf der Basis schnell abstimmbarer Resonatoren mit hoher Güte, eine wichtige Voraussetzung. Neben vielen möglichen Filteranwendungen sind abstimmbare Resonatoren mit hoher Güte für spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs), die bei zahlreichen Anwendungen der Mikrowellen-Kommunkations-, Sensor- und Meßtechnik zum Einsatz kommen, von Bedeutung.Due to the intensive use available frequency bands in microwave communication, is for future generations of communication systems one if possible flexible, d. H. variable use of sub-bands for specific purposes essential. For example with intensive Internet traffic via mobile communication devices the bandwidths required for the "uplink" from the mobile terminal to the base station and the "downlink" in reverse time fluctuate strongly, so that a Time-variable, software-controlled assignment of frequency intervals to increase the transferable Data rates, lead can. For such Tasks are based on quickly tunable microwave filters quickly tunable resonators with high quality, an important requirement. Next many possible Filter applications are tunable resonators with high quality for voltage controlled Oscillators (VCOs), which are used in numerous applications of microwave communication, Sensor and measurement technology are used, of importance.

Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Frequenzabstimmung von Hohlraumresonatoren bzw. dielektrischen Resonatoren basieren entweder auf der Bewegung von metallischen bzw. dielektrischen Formkörpern über makroskopische Distanzen, wie z. B. aus DE 198 41 078 C1 bekannt, oder auf integrierten steuerbaren Halbleiterbauelementen (z. B. Varaktordioden). Erstere erlauben zwar relativ große Abstimmbereiche bei gleichzeitig hohen Güten (≈ 10.000). Nachteilig sind aber die Umschaltzeiten zwischen verschiedenen Positionen extrem langsam (≈ 1 sec). Letztere erlauben zwar eine Frequenzabstimmung in sehr kurzen Zeiten (≈ 10 Mikrosekunden). Nachteilig führen sie aber aufgrund hoher Verluste durch Wärmedissipation in dem verwendeten Halbleitermaterial zu einer starken Degradation der Güten ≈1000).Methods known from the prior art for frequency tuning of cavity resonators or dielectric resonators are based either on the movement of metallic or dielectric shaped bodies over macroscopic distances, such as, for. B. from DE 198 41 078 C1 known, or on integrated controllable semiconductor components (z. B. varactor diodes). The former allow relatively large tuning ranges with high quality at the same time (≈ 10,000). The disadvantage, however, is that the switchover times between different positions are extremely slow (≈ 1 sec). The latter do allow frequency tuning in very short times (≈ 10 microseconds). However, due to high losses due to heat dissipation in the semiconductor material used, they disadvantageously lead to a strong degradation of the grades ≈1000).

Aus Brown et al., 1999 (A. R. Brown; P. Blondy and G. M. Rebeiz (1999). Microwave and millimeter-wave high-Q micromachined resonators. Int. J. of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, Vol. 9, pp. 326-337) ist bekannt, verlustarme Schalter mit kurzen Schaltzeiten im Mikrowellen- bzw. Millimeterbereich mit der sogenannten MEMS-Technologie (Micromachined Electromechanical Systems) herzustellen.From Brown et al., 1999 (A.R. Brown; P. Blondy and G. M. Rebeiz (1999). Microwave and millimeter wave high-Q micromachined resonators. Int. J. of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, Vol. 9, pp. 326-337) is known to have low-loss switches short switching times in the microwave or millimeter range with the so-called MEMS technology (Micromachined Electromechanical Systems) manufacture.

Aufgrund der Kleinheit der MEMS-Strukturen werden diese bislang in Verbindung mit planaren Mikrowellen-Leitungsstrukturen eingesetzt. Diese weisen nachteilig aufgrund von Verlusten durch Wärmedissipation in den metallischen Komponenten keine besonders hohen Güten auf.Because of the smallness of the MEMS structures so far in connection with planar microwave line structures used. These are disadvantageous due to losses heat dissipation no particularly high grades in the metallic components.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zur elektrischen Frequenzabstimmung eines Hohlraumresonators bzw. eines dielektrischen Resonators bereit zu stellen, welche eine hohe Güte bei gleichzeitig schneller Abstimmbarkeit des Resonators ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen entsprechenden abstimmbaren Resonator bereit zu stellen.The object of the invention is Device for electrical frequency tuning of a cavity resonator or a dielectric resonator to provide a high goodness allows for quick tuning of the resonator. It is also an object of the invention to provide a corresponding tunable To provide the resonator.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit der Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Patentansprüchen.The task is accomplished by a device solved with the entirety of the features of claim 1. advantageous Refinements result from the respective references Claims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Frequenzabstimmung eines Hohlraumresonators oder dielektrischen Resonators umfaßt eine, auf einem dielektrischen Substrat aufgebrachte, Metallschicht. Die Metallschicht ist von mindestens einem Spalt unterbrochen. Der Spalt wird durch mindestens ein mikromechanisches Strukturelement überbrückt. Der Abstand vom mikromechanischen Strukturelement zur Metallschicht kann variiert werden. Dadurch bildet die Vorrichtung eine Wand mit elektrisch steuerbarer Transparenz für bestimmte Wellentypen, die der elektrischen Frequenzabstimmung eines abgeschirmten Resonators dient.The inventive device for frequency tuning a cavity resonator or dielectric resonator comprises one, metal layer deposited on a dielectric substrate. The Metal layer is interrupted by at least one gap. The gap is bridged by at least one micromechanical structural element. The distance can vary from the micromechanical structural element to the metal layer become. As a result, the device forms a wall with electrical controllable transparency for certain types of waves, the electrical frequency tuning of a shielded resonator is used.

Das dielektrische Substrat ist vorteilhaft z. B. aus Saphir, Aluminiumoxidkeramik oder hochohmigem Silizium erhältlich. Die hierauf aufgebrachte Metallschicht weist besonders vorteilhaft eine hohe Leitfähigkeit auf. Sie ist z. B. aus Gold, Silber oder Kupfer erhältlich. Das oder die mikromechanischen Strukturelemente sind insbesondere streifenförmig ausgestaltet. Sie sind vorzugsweise ebenfalls aus einem Metall hoher Leitfähigkeit erhältlich.The dielectric substrate is advantageous z. B. made of sapphire, aluminum oxide ceramic or high-resistance silicon available. The metal layer applied thereon is particularly advantageous high conductivity on. It is e.g. B. available from gold, silver or copper. The micromechanical structure element or elements are in particular in strips designed. They are also preferably made of a higher metal conductivity available.

Bei dem Resonator handelt es sich um einen dielektrischen Resonator oder um einen Hohlraumresonator. Dabei wird in einem metallischen Hohlraum die erfindungsgemäße Vorrichtung so arrangiert, daß diese Vorrichtung wie eine semitransparente Wand, das heißt eine Wand mit elektrisch steuerbarer Transparenz für bestimmte elektromagnetische Wellentypen, zur Wirkung kommt. Der abstimmbare Resonator ist dadurch in zwei Teilresonatoren unterteilt . Für den gebräuchlichen TE₀₁₁ bzw. TE_01δ Wellentyp eines zylinderförmigen Hohlraumresonators bzw. eines dielektrischen Resonators besteht die Anordnung aus einer auf einem dielektrischen Substrat aufgebrachten Metallschicht, die von mindestens einem radial verlaufenden Spalt unterbrochen wird. Die mikromechanische Anordnung wird in diesem Fall durch mindestens einen metallischen Streifen ausgebildet, der in einem gewissen Abstand oberhalb des Spaltes bzw. der metallischen Schicht angeordnet ist. Durch Variation dieses Abstandes kann entweder zwischen einer kapazitiven Spaltüberbrückung, bei endlichem Abstand zwischen Streifen und Metallschicht, und einer resistiven Spaltüberbrückung, wenn kein Abstand zwischen Streifen und Metallschicht vorliegt, umgeschaltet oder die Kapazität durch kontinuierliche Änderung des Abstandes kontinuierlich variiert werden. Eine Änderung des Abstandes im Mikrometerbereich führt dabei zu einer Änderung der Resonanzfrequenz im Prozentbereich. Aufgrund dieser extrem geringen Bewegungsamplituden lassen sich hier im Vergleich zu konventionellen mechanischen Abstimmelementen deutlich kürzere Schaltzeiten realisieren. Gegenüber konventionellen elektronischen Abstimmverfahren wie z. B. mittels Halbleiter-Varaktordioden, sind die Verluste durch Wärmedissipation deutlich geringer, so daß die so hergestellten abstimmbaren Resonatoren erheblich höhere Güten aufweisen. Der Abstand zwischen Streifen und Spalt bzw. Metallschicht kann durch in der MEMS-Technologie bekannte Aktuatoren bzw. Aktuationsmethoden variiert werden, z. B. durch piezoelektrische, elektrostatische oder thermische Aktuatorik, z. B. durch den Bimetalleffekt.The resonator is a dielectric resonator or a cavity resonator. The device according to the invention is arranged in a metallic cavity in such a way that this device acts like a semitransparent wall, that is to say a wall with electrically controllable transparency for certain types of electromagnetic waves. The tunable resonator is thus divided into two partial resonators. For the common TE ₀₁₁ or TE _01δ wave type of a cylindrical cavity resonator or a dielectric resonator, the arrangement consists of a metal layer applied on a dielectric substrate, which is interrupted by at least one radially extending gap. In this case, the micromechanical arrangement is formed by at least one metallic strip which is arranged at a certain distance above the gap or the metallic layer. By varying this distance, one can either switch between a capacitive gap bridging, with a finite distance between the strip and the metal layer, and a resistive gap bridging, if there is no distance between the strip and the metal layer, or the capacitance can be varied continuously by continuously changing the distance. A change in the distance in the micrometer range leads to a change in the resonance frequency in the percentage range. Due to these extremely low movement amplitudes, significantly shorter switching times can be achieved here compared to conventional mechanical tuning elements. Compared to conventional electronic voting methods such. B. by means of semiconductor varactor diodes, the losses due to heat dissipation are significantly lower, so that the tunable resonators produced in this way have considerably higher qualities. The distance between the strip and the gap or metal layer can be varied by actuators or actuation methods known in MEMS technology, e.g. B. by piezoelectric, electrostatic or thermal actuators, z. B. by the bimetal effect.

Ein, eine solche Vorrichtung aufweisender, Hohlraum- oder dielektrischer Resonator weist daher eine hohe Güte bei gleichzeitig schneller Abstimmbarkeit auf.A, such a device having, cavity or dielectric Resonator therefore has a high quality and at the same time faster Tunability on.

Vorteilhaft weist die Vorrichtung eine Vielzahl an radial verlaufenden Spalten zur Frequenzabstimmung des TE₀₁₁ bzw. TE_01δ Wellentyps auf.The device advantageously has a plurality of radially extending columns for frequency _{tuning of} the TE ₀₁₁ or TE _01δ wave type.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Spalten vorzugsweise jeweils von einer Vielzahl von mikromechanischen Strukturelementen überbrückt.In a further embodiment of the Invention, the columns are preferably each of a plurality bridged by micromechanical structural elements.

Je mehr Spalten und mikromechanische Strukturelemente die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt, um so größer ist die Anzahl der durch die Spalten und mikromechanischen Strukturelemente erzeugten metallisierten Kreissektoren auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Durch separate elektrische Ansteuerung einzelner Segmente wird eine digitale Frequenzabstimmung über eine große Anzahl von Frequenzintervallen ermöglicht.The more columns and micromechanical structural elements the device according to the invention comprises so is bigger the number of those generated by the columns and micromechanical structure elements metallized circular sectors on the device according to the invention. Through separate electrical control of individual segments digital frequency tuning via a big Number of frequency intervals allowed.

Die radial verlaufenden Spalten verlaufen vorteilhaft ausgehend von einer Öffnung. Die Öffnung liegt in der Mitte der metallischen Schicht. Sie kann aber zusätzlich auch im dielektrischen Substrat der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorliegen. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Wirkung erzielt, daß die einzelnen Sektoren der metallischen Schicht elektrisch voneinander getrennt sind und somit die oben erwähnte Ansteuerung einzelner Sektoren möglich wird.The radial columns run advantageously starting from an opening. The opening lies in the middle of the metallic layer. But it can also are present in the dielectric substrate of the device according to the invention. In this way, the effect is achieved that the individual Sectors of the metallic layer are electrically separated from one another are and thus the one mentioned above Control of individual sectors is possible.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das oder die mikromechanischen Strukturelemente an einer ihrer Seiten mit der auf dem dielektrischen Substrat aufgebrachten Metallschicht eines Sektors verbunden. Der Abstand zwischen Strukturelement und benachbartem Sektor kann variiert werden. Über die Variation des Abstandes erfolgt die Frequenzabstimmung.In a further embodiment of the Invention is the or the micromechanical structural elements one of its sides with that deposited on the dielectric substrate Metal layer of a sector connected. The distance between the structural element and neighboring sector can be varied. About the variation of the distance the frequency is tuned.

Es ist auch möglich, daß das oder die mikromechanischen Strukturelemente Bestandteil eines weiteren dielektrischen Substrats sind. Die Spalten sind in der metallischen Oberfläche eines dielektrischen Substrats angeordnet und werden mittels der Strukturelemente eines zweiten Substrats überbrückt. Auf diese Weise wird die Wirkung erzielt, daß der Abstand zwischen allen mikromechanischen Strukturelementen und der Metallschicht des ersten dielektrischen Substrats gleichmäßig variiert werden kann (analoge Frequenzabstimmung). Die Variation des Abstands der mikromechanischen Strukturelemente von den Spalten kann durch piezoelektrische Aktuatoren erfolgen.It is also possible that the micromechanical or Structural elements part of a further dielectric substrate are. The gaps are one in the metallic surface dielectric substrate and are arranged by means of the structural elements bridged by a second substrate. On in this way the effect is achieved that the distance between all micromechanical structure elements and the metal layer of the first dielectric Substrate varies evenly can be (analog frequency tuning). The variation of the distance of the micromechanical structural elements from the columns can by Piezoelectric actuators are made.

Ein Resonator mit erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Frequenzabstimmung kann insbesondere für den TE₀₁₁ oder TE_01δ Wellentyp verwendet werden.A resonator with a device for frequency _{tuning according} to the invention can be used in particular for the TE ₀₁₁ or TE _01δ wave type.

Im weiteren wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele und der beigefügten 1 bis 5 näher beschrieben.The invention will be further elucidated on the basis of a few exemplary embodiments and the attached one 1 to 5 described in more detail.

1: Anordnung eines abgeschirmten dielektrischen Resonators mit semitransparenter Wand umfassend mikromechanische Strukturelemente. 1 : Arrangement of a shielded dielectric resonator with a semi-transparent wall comprising micromechanical structural elements.

2: Beispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen semitransparenten Wand (N = 4, k = 1) für den TE₀₁₁/TE_01δ Wellentyp, wobei die Spalte mittels streifenförmiger mikromechanischer Strukturelemente überbrückt werden (k = 1). 2 Example for the construction of a semitransparent wall _{according to the} invention (N = 4, k = 1) for the TE ₀₁₁ / TE _01δ wave type, the gaps being bridged by means of strip-shaped micromechanical structural elements (k = 1).

3: Erfindungsgemäße Vorrichtung mit radial verlaufenden Spalten (N = 12), wobei die Spalte mittels streifenförmiger mikromechanischer Strukturelemente überbrückt werden (k = 11). 3 : Device according to the invention with radially running gaps (N = 12), the gaps being bridged by means of strip-shaped micromechanical structural elements (k = 11).

4: Abstimmbarer Resonator mit piezoelektrischer Aktuatorik. 4 : Tunable resonator with piezoelectric actuators.

1 zeigt beispielhaft einen erfindungsgemäßen Resonator bestehend aus einem dielektrischen Zylinder 4, der in einem zylinderförmigen metallischen Abschirmgehäuse 2 angeordnet ist. Die mikromechanische Strukturelemente umfassende semitransparente Wand 3, ist in einem gewissen Abstand parallel zur Stirnseite 1a des Zy linders 1' oberhalb des dielektrischen Zylinders 4 angeordnet. Dadurch bildet die Vorrichtung eine Trennwand zwischen zwei Teilresonatoren. Im vorliegenden Fall ist der untere Teilresonator 1'' ein metallischer Hohlraumresonator mit dielektrischer Füllung 4 (abgeschirmter dielektrischer Resonator) und der obere Teilresonator ein metallischer Hohlraumresonator 1', dessen Transparenz für bestimmte elektromagnetische Wellentypen durch mikromechanische Bewegungen steuerbar ist. 1 shows an example of a resonator according to the invention consisting of a dielectric cylinder 4 , which is in a cylindrical metallic shield housing 2 is arranged. The semi-transparent wall comprising the micromechanical structural elements 3 , is parallel to the face at a certain distance 1a of the cylinder 1' above the dielectric cylinder 4 arranged. As a result, the device forms a partition between two partial resonators. In the present case, the lower partial resonator 1'' a metallic cavity resonator with dielectric filling 4 (shielded dielectric resonator) and the upper partial resonator is a metallic cavity resonator 1' , whose transparency for certain electromagnetic wave types can be controlled by micromechanical movements.

2 zeigt einen möglichen Aufbau einer semitransparenten Wand umfassend mikromechanische Strukturelemente. Es handelt sich beispielhaft um eine Anordnung für den TE₀₁₁ bzw. TE_01δ Wellentyp eines abgeschirmten Hohlraum- bzw. dielektrischen Resonators. 2 shows a possible construction of a semi-transparent wall comprising micromechanical structural elements. It is an example an arrangement for the TE ₀₁₁ or TE _01δ wave type of a shielded cavity or dielectric resonator.

Bei dem Aufbau in 2 handelt es sich um eine metallische Wand, z. B. eine metallische Schicht 24, in der Figur dunkelgrau dargestellt, die auf einem schwarz dargestellten dielektrischem Trägersubstrat 28 angeordnet ist. Angedeutet ist weiter die Anordnung der Vorrichtung in einem metallischen Abschirmgehäuse 22, die der Abschirmung 2 der 1 entspricht. In der metallischen Schicht 24 sind vier radial verlaufende Spalten 25 angeordnet. Die Spalten 25 werden z. B. lithographisch hergestellt und stellen Bereiche ohne Metallisierung dar. Hierdurch wird die metallische Schicht 24 in vier separat ansteuerbare Sektoren unterteilt, von denen nur der Sektor rechts oben mit Bezugszeichen 24 versehen ist. Die vier Spalten 25 verlaufen ausgehend von einer in der Mitte der metallischen Schicht angeordneten Öffnung 26. Die Öffnung 26 weist einen im Vergleich zum Resonatordurchmesser kleinen Durchmesser auf. Da die vom Resonatorfeld des TE₀₁₁ bzw. TE_01δ Wellentyps in die metallische Schicht 24 induzierten hochfrequenten Wechselströme in azimuthaler Richtung verlaufen, bildet jeder Spalt 25 eine Unterbrechung der Stromlinien, die zu einer effektiven Abstrahlung elektromagnetischer Energie in einen oberen Teilresonator 1', wie in 1 dargestellt, führt. Auf diese Weise wird eine Verkopplung beider Teil-Resonatoren 1' und 1'', wie in 1 dargestellt, realisiert.When building in 2 is it a metallic wall, e.g. B. a metallic layer 24 , shown in the figure in dark gray, on a dielectric carrier substrate shown in black 28 is arranged. The arrangement of the device in a metallic shielding housing is also indicated 22 that of the shield 2 the 1 equivalent. In the metallic layer 24 are four radial columns 25 arranged. The columns 25 z. B. manufactured lithographically and represent areas without metallization. This is the metallic layer 24 divided into four separately controllable sectors, of which only the sector at the top right with reference numerals 24 is provided. The four columns 25 extend from an opening arranged in the middle of the metallic layer 26 , The opening 26 has a small diameter compared to the resonator diameter. Since the resonator field of the TE ₀₁₁ or TE _01δ wave type into the metallic layer 24 induced high-frequency alternating currents run in the azimuthal direction, each gap forms 25 an interruption of the streamlines leading to an effective emission of electromagnetic energy into an upper partial resonator 1' , as in 1 shown, leads. In this way, the two partial resonators are coupled 1' and 1'' , as in 1 shown, realized.

Bei den im Beispiel dargestellten vier mikromechanischen Strukturelementen 27 handelt es sich um metallische Streifen, die an jeweils einer ihrer Seiten mit der metallischen Schicht 24 verbunden sind. Die mikromechanischen Strukturelemente 27 überbrücken je einen Spalt 25 lokal an dieser Stelle. Nur das rechts angeordnete mikromechanische Strukturelement 27 ist mit Bezugszeichen versehen. Besteht kein Abstand zwischen den Metallstreifen 27 und der Metallschicht 24, so wird der Spalt 25 resistiv überbrückt. In diesem Fall wird an dieser Stelle die Strahlungsankopplung an einen oberen Teilresonator 1', wie in 1 dargestellt, reduziert, was zu einer Änderung gegenüber einem endlichen Abstand zwischen Metallstreifen 27 und Metallschicht 24, und damit zur Frequenzabstimmung führt. Im Falle eines geringen Abstands zwischen Steifen 27 und Metallschicht 24 ergibt sich durch den Überlapp zwischen Streifen 27 und metallischer Schicht 24 eine zur Spaltkapazität parallel geschaltete Kapazität, dessen Variation durch Abstandsänderung ebenfalls zu einer Frequenzänderung und damit zur Frequenzabstimmung führt.In the four micromechanical structural elements shown in the example 27 These are metallic strips, each with its metallic layer on one of its sides 24 are connected. The micromechanical structural elements 27 bridge one gap each 25 locally at this point. Only the micromechanical structural element arranged on the right 27 is provided with reference numerals. There is no distance between the metal strips 27 and the metal layer 24 , so the gap 25 resistively bridged. In this case, the radiation coupling to an upper partial resonator is made at this point 1' , as in 1 shown, reduced, resulting in a change from a finite distance between metal strips 27 and metal layer 24 , and thus leads to frequency tuning. In the case of a small distance between stiffeners 27 and metal layer 24 results from the overlap between stripes 27 and metallic layer 24 a capacitance connected in parallel to the gap capacitance, the variation of which also leads to a frequency change and thus to frequency tuning by changing the distance.

Beispielhaft ergibt die Simulation für einen aus kommerziell erhältlich Mikrowellenkeramiken bestehenden dielektrischen Resonator mit einer Resonanzfrequenz von 1,9 GHz, eine Frequenzänderung von ca. 20 MHz bei einer Änderung des Abstands zwischen vier Streifen 27 auf vier Spalten 25 zwischen null und zehn Mikrometern (Streifen 2×5 mm, Spalt 2 mm Durchmesser). Die Resonatorgüte von ca. 30000 ist dabei gegenüber einem entsprechenden Resonator ohne Abstimmvorrichtung kaum verändert.For example, the simulation for a dielectric resonator consisting of commercially available microwave ceramics with a resonance frequency of 1.9 GHz results in a frequency change of approximately 20 MHz with a change in the distance between four strips 27 on four columns 25 between zero and ten micrometers (strips 2 × 5 mm, gap 2 mm diameter). The resonator quality of approx. 30,000 has hardly changed compared to a corresponding resonator without a tuning device.

3 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung für N = 12 Spalten 35 und k = 11 Streifen 37 als mikromechanische Strukturelemente je Spalt 35. Die Spalten 35 verlaufen radial ausgehend von einer kreisförmigen Öffnung 36 ohne Metallisierung. Die Öffnung 36 ist im Zentrum der metallischen Schicht angeordnet. Jeweils nur ein Spalt und ein Streifen sind aus Platzgründen mit Bezugszeichen versehen. Dadurch wird die metallische Schicht 34 in zwölf elektrisch voneinander getrennte und separat ansteuerbare Sektoren unterteilt. Werden die Streifen 37 etwa als freischwebende Cantilever ausgelegt, die an jeweils einer Seite mit der metallischen Schicht 34 verankert sind, so läßt sich eine gewünschte Bewegung der Streifen z. B. durch Verbiegen der Streifen 37 erzeugen. Durch in der MEMS-Technologie bekannte Aktuationsmethoden, wie z. B. elektrostatische Anziehung oder piezoelektrische Verbiegung, läßt sich die gewünschte Abstandsänderung mit extrem schnellen Schaltzeiten von 10 Mikrosekunden bis 10 Millisekunden erreichen. Hier würde z. B. eine sektorweise elektrische Vorspannung zur Betätigung des jeweiligen Aktuationsmechnismus aller mikromechanischen Strukturelemente 37 eines Spaltes 35 führen, so daß der. Resonator eine inhärente digitale Spannungs-Frequenz-Charakteristik aufweisen würde. 3 shows an example of a device according to the invention for N = 12 columns 35 and k = 11 strips 37 as micromechanical structural elements per gap 35 , The columns 35 run radially from a circular opening 36 without metallization. The opening 36 is located in the center of the metallic layer. Only one gap and one strip are provided with reference numerals for reasons of space. This will make the metallic layer 34 divided into twelve electrically separate and separately controllable sectors. Will the stripes 37 designed as a free-floating cantilever, each with the metallic layer on one side 34 are anchored, so a desired movement of the strips z. B. by bending the strips 37 produce. Actuation methods known in MEMS technology, such as B. electrostatic attraction or piezoelectric bending, the desired change in distance can be achieved with extremely fast switching times of 10 microseconds to 10 milliseconds. Here would z. B. a sectoral electrical bias for actuating the respective actuation mechanism of all micromechanical structural elements 37 of a crack 35 lead so that the. Resonator would have an inherent digital voltage-frequency characteristic.

4 zeigt eine mögliche Anordnung zur analogen gleichförmigen Bewegung aller Streifen 11b, die als strukturierte Metallschicht auf einem dielektrischen Substrat 9b aufgebracht sind, mit Hilfe piezoelektrischer Aktuatoren 10. Das Substrat 9a umfaßt die Spaltanordnung 11a als strukturierte Metallschicht. Dabei wird ein bestehender Luftspalt 8 zwischen den dielektrischen Substraten 9a und 9b, welche mit den strukturierten Metallisierungen 11a und 11b auf den jeweils zueinander gewandten Seiten versehen sind, mit Hilfe von mindestens drei Piezoaktuatoren 10 variiert. In der Bildebene sind nur zwei Piezoaktuatoren 10 gezeigt, von denen nur der in der Bildebene linke Aktuator mit Bezugszeichen versehen ist. 4 shows a possible arrangement for the analog uniform movement of all strips 11b that as a structured metal layer on a dielectric substrate 9b are applied with the help of piezoelectric actuators 10 , The substrate 9a comprises the gap arrangement 11a as a structured metal layer. This creates an existing air gap 8th between the dielectric substrates 9a and 9b which with the structured metallizations 11a and 11b are provided on the sides facing each other with the aid of at least three piezo actuators 10 varied. There are only two piezo actuators in the image plane 10 shown, of which only the actuator on the left in the image plane is provided with reference numerals.

Auf diese technologisch leicht zu realisierende Weise können besonders hohe Resonatorgüten erreicht werden, da hier Metallisierungen mit geringen Verlusten (z. B. Silberschichten) verwendet werden können, die in der MEMS-Technologie schwierig zu realisieren sind. Diese Variante eignet sich auch für Metallisierungen aus supraleitenden Metallen, so daß auf diese Weise abstimmbare kryogene Resonatoren mit extrem hoher Güte realisierbar sind. Des weiteren ist für diese Realisierung keine MEMS-Technologie erforderlich. Statt dessen kön nen kommerziell erhältliche piezoelektrische Aktuatoren verwendet werden. Es sind weiterhin gezeigt, der abgeschirmte dielektrische Resonator 41'' als unterer Teilresonator mit dielektrischer Füllung 44, sowie der obere Teilresonator 41'.In this way, which is technologically easy to implement, particularly high resonator qualities can be achieved, since metallizations with low losses (e.g. silver layers) can be used, which are difficult to implement in MEMS technology. This variant is also suitable for metallizations made of superconducting metals, so that tunable cryogenic resonators with extremely high quality can be achieved in this way. Furthermore, no MEMS technology is required for this implementation. Instead, commercially available piezoelectric actuators can be used. The shielded dielectric resonator is also shown 41 '' as un tere partial resonator with dielectric filling 44 , as well as the upper partial resonator 41 ' ,

Die dargestellten Vorrichtungen zur Frequenzabstimmung sind an die Geometrie eines kreiszylindrischen Hohlraumresonators bzw. dielektrischen Resonators angepaßt. Grundsätzlich ist für die Vorrichtung auch eine andere Geometrie als eine kreisförmige vorstellbar, um die Frequenzabstimmung eines Resonators zu erzielen.The devices shown for Frequency tuning are based on the geometry of a circular cylindrical Cavity resonator or dielectric resonator adapted. Basically is for the device also a geometry other than a circular conceivable for frequency tuning to achieve a resonator.

Eine abstimmbare Filterstruktur umfaßt mehrere miteinander verkoppelte Hohlraumresonatoren und/oder dielektrische Resonatoren mit erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Frequenzabstimmung.A tunable filter structure includes several coupled cavity resonators and / or dielectric Resonators with the device according to the invention for frequency tuning.

Ein abstimmbarer Oszillator umfaßt einen Halbleiterverstärker und einen Hohlraumresonator oder dielektrischen Resonator mit erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Frequenzabstimmung.A tunable oscillator includes a semiconductor amplifier and a cavity resonator or dielectric resonator with the device according to the invention for frequency tuning.

Claims

Device for frequency tuning a cavity resonator or dielectric resonator, comprising a metal layer applied to a dielectric substrate ( 24 . 34 ) which have at least one gap ( 25 . 35 ), the gap ( 25 . 35 ) by at least one micromechanical structural element ( 27 . 37 ) is bridged, whose distance to the metal layer ( 24 . 34 ) can be varied.

Device according to the preceding claim, characterized by a plurality of columns ( 25 . 35 ).

Device according to one of the preceding claims, characterized by at least one radially extending gap ( 25 . 35 ).

Device according to one of the preceding claims, characterized by a multiplicity of micromechanical structural elements ( 27 . 37 ).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one micromechanical structural element ( 27 . 37 ) on one side with the metal layer applied to the dielectric substrate ( 24 . 34 ) connected is.

Device according to one of the preceding claims, characterized by one, in particular in the middle of the metal layer ( 24 . 34 ) arranged, compared to the resonator diameter small, opening ( 26 . 36 ) without metallization.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the micromechanical structural element (s) ( 11b ) Components of a further dielectric substrate ( 9b ) are.

Device according to claim 7, characterized in that the micromechanical structural elements ( 11b ) of the further dielectric substrate ( 9b ) the column (s) of the metallic layer ( 11a ) a dielectric substrate ( 9a ) bridge.

Cavity resonator or dielectric resonator, comprising a device for frequency tuning according to one of the previous claims.

Cavity resonator or dielectric resonator according to claim 9 with further elements for coupling.

Tunable filter structure comprising several with each other coupled cavity resonators and / or dielectric resonators according to claim 9 or 10.

Use a cavity resonator or dielectric Resonators according to claim 9 or 10 for a tunable oscillator, which is a semiconductor amplifier includes.

Use of a cavity resonator or dielectric resonator according to claim 9 or 10 for frequency _{tuning of a} TE ₀₁₁ or TE _01δ wave type.