DE19537477A1

DE19537477A1 - Dielektrischer Resonator sowie Verwendung

Info

Publication number: DE19537477A1
Application number: DE19537477A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr Ing Dr Schmitt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-10-09
Filing date: 1995-10-09
Publication date: 1997-04-10
Also published as: EP0768725A2; US5859574A; EP0768725A3

Description

Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Resonator in dessen Resonatorgehäuse sich mindestens ein dielektrischer Einsatz befindet.

Stand der Technik

Aus IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Volume 42, Nr. 7, Juli 1994, Seiten 1296 und 1297 und aus GB 2276039 A sind dielektrische Resonatoren mit verschieden strukturierten dielektrischen Einsätzen bekannt, zum Beispiel Ringstrukturen, Stäbe und Scheiben mit runden oder quadratischen Querschnitten. Diese Strukturen dienen dort zur Konzentration der elektromagnetischen Felder in dominanten Moden. Aufgrund der relativ hohen Dielektrizitätszahl DK erhält man bei gleicher Resonanz um den Faktor geringere Abmessungen. Aus der EP 496 592 A1 ist ebenfalls ein dielektrischer Resonator mit einem oder mehreren kurzen Kreiszylinder/n bekannt, der/die über supraleitende Brücken mit den Innenwänden des Resonatorgehäuses verbunden ist/sind.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Resonator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise die in den Unteransprüchen ent haltenen Weiterbildungen beruht auf folgenden Erkenntnissen: Entscheidend für die Größe von aus dielektrischen Resonatoren aufgebauten Filtern ist das Vorhandensein von Dual- oder Tripelmoden. Schwingt bei einer Frequenz mehr als ein Mode, so spricht man von Entartung. Je höher die Anzahl der Moden ist, um so volumengünstiger ist der Filteraufbau. Eine weitere wichtige Kenngröße beim Design von Resonatoren ist der Abstand des verwendeten Modes beziehungsweise der Moden bei einer Frequenz zu den niedrigeren und höheren Moden beziehungsweise Frequenzen, an denen andere Moden schwingfähig sind. Dieser Abstand legt die Bandbreite des Filters fest und sollte somit möglichst groß sein.

Der dielektrische Resonator gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 weist höhere Moden (Entartung) auf, wobei durch die Schlitze ein genügend hoher Modenabstand erreichbar ist. Da sich die Schlitze weit zum Zentrum hin erstrecken, wird der Grundmode unterdrückt, der in der Regel ein Single-Mode ist, abhängig von der Dicke des Dielektrikums im Zentralbe reich, und bei Standardfiltern nach dem Stand der Technik ausgenutzt wird. Gleichzeitig bildet sich beim dielektri schen Resonator nach der Erfindung zumindest ein Dualmode aus, dessen Energie sich im Zentralbereichs des dielektrischen Einsatzes befindet. Die erfindungsgemäße Struktur des Einsatzes läßt sich einstückig realisieren oder durch die Zusammensetzung von geometrischen Standardelemen ten, wie zum Beispiel scheibenartige Dreiecke, beziehungs weise Trapeze, Kreissegmente usw., die so zueinander ange ordnet sind, daß mindestens zwei jeweils gegenüberliegende sich in Richtung Zentrum hin radial erstreckende und zueinander symmetrische Schlitze entstehen. Verwendet man eine bestimmte Dicke insbesondere im Zentralbereich, so läßt sich auch ein Tripelmode beziehungsweise noch höhere Moden ausnutzen. Ein weiterer Vorteil der geschlitzten Struktur besteht in der Möglichkeit durch geeignete Wahl der Breite beziehungsweise Querschnittsfläche der Schlitze und ihrer Länge den Modenabstand in gewissen Grenzen einstellbar zu machen. Eine gegebenenfalls notwendige Verkopplung der beiden (Dualmode) beziehungsweise höheren Moden kann ebenfalls in den Schlitzen etwa durch Abstimmelemente, zum Beispiel in Form von Stäben oder unterschiedlich weites Einsägen, zum Beispiel in Form von gestuften Schlitzen, erfolgen.

Zur Halterung des dielektrischen Einsatzes im Resonator gehäuse können herkömmliche Maßnahmen verwendet werden, wie zum Beispiel keramische Stützkörper, Andruckschrauben, Federelemente usw. oder auch die Maßnahmen gemäß der älteren Anmeldung DE 1 95 24 633.0 verwendet werden.

Der erfindungsgemäße dielektrische Resonator läßt sich somit als Dual- oder Tripelmoderesonator hoher Güte, relativ großem Modenabstand insbesondere auch bei hohen Leistungen einsetzen. Wegen der guten Abgleich- und Verkopplungsmög lichkeiten eignet sich der dielektrische Resonator zum Aufbau von Mikrowellenfiltern.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 die Form eines herkömmlichen Einsatzes für einen dielektrischen Resonator,

Fig. 2 die Form eines dielektrischen Einsatzes für einen Resonator nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel insbesondere für höhere Moden,

Fig. 4 bis 15 Feldlinienbilder zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 3,

Fig. 16 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit rechteck förmigem dielektrischen Einsatz,

Fig. 17 bis 24 Feldlinienbilder für das Ausführungsbei spiel nach Fig. 16.

Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt die Form eines herkömmlichen dielektrischen Einsatzes für einen dielektrischen Resonator. Das metalli sche Resonatorgehäuse besteht aus einem Kreiszylinder mit dem Innendurchmesser R und der Innenhöhe H. Darin ist ein dielektrischer Einsatz in Form einer kreiszylindrischen dielektrischen Keramikscheibe untergebracht mit dem Durchmesser r und der Höhe h. Nachfolgend wird angenommen, daß ein C-Bandfilter realisiert werden soll mit einer Mittenfrequenz von 3,7 GHz und unter Benutzung von Dual-Mode-Hohlraumresonatoren. Der EH11δ-Mode wird als Arbeitsmode benutzt. Die Dielektrizitätskonstante ist zu ε = 36 angenommen. Unter diesen Annahmen läßt sich eine maximale Distanz des Arbeitsmodes gegenüber unerwünschten Moden gemäß nachfolgender Tabelle erreichen:

Diese Tabelle gilt für:

r/R = 0,66; h/H = 0,33; r/h = 1,75

Größere Modenabstände können für diesen Resonatortyp und den gewählten Arbeitsmode nicht erreicht werden.

In Fig. 2 ist nun ein erfindungsgemäßer dielektrischer Resonator aufgezeigt, der eine Schlitzstruktur aufweist. Mit diesem Resonator läßt sich bei der gleichen Resonanzfrequenz und dem EH11δ-Mode als Grundmode ein Modenabstand von 39,5% zum nächsthöheren Mode erzielen. Fig. 2 stellt nur ein Ausführungsbeispiel für einen großen Modenabstand dar. Andere Strukturen mit noch größerem Modenabstand sind realisierbar.

Der in Fig. 2 dargestellte dielektrische Resonator besteht aus einem kreiszylindrischen Resonatorgehäuse 1, mit einem scheibenartigen ebenfalls kreiszylindrisch ausgebildeten einstückigen dielektrischen Einsatz 2. Vom Scheibenmantel ausgehend sind jeweils zwei paarweise gegenüberliegende zueinander symmetrische Schlitze 3 angeordnet, die sich radial in Richtung Zentrum hin erstrecken. Die insgesamt vier Schlitze 3 weisen im wesentlichen gleichen Querschnitt auf oder sind, wie dargestellt, als Pyramidenstumpf ausgebildet und verjüngen sich unter einem Winkel von 15° in Richtung Scheibenzentrum hin. Die Mittelebenen der Schlitze 3 stehen jeweils senkrecht zu den Deckflächen des Resonatorgehäuses beziehungsweise den Deckflächen des kreiszylinderförmigen Einsatzes 2. Mit den Dimensionierungen: R/r = 1,2; h/r = 0,5428; H/h =4,5; r_i/r = 0,28; ε = 30; r = 11,2 mm, wobei R den Innenradius des Resonatorgehäuses 1, r den Radius des kreiszylindrischen Einsatzes 2, H die Innenhöhe des Resonatorgehäuses, h die Höhe des kreiszylindrischen Einsatzes 2 und r_i den Radius des Schlitzgrundes angibt, gilt eine entsprechende Tabelle für die niedrigsten Modentypen:

Die Schlitze 3 sind erfindungsgemäß so angeordnet, daß sie die elektrischen Feldlinien des TE01-Modes schneiden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besitzt weitere Vortei le bezüglich der Vorzugsrichtung der Dualmoden, die für die Kopplung in Mikrowellenfilterstrukturen ausgenutzt werden können (einfache Kaskadierung mehrerer erfindungsgemäßer dielektrischer Resonatoren).

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen dielektrischen Einsatz zeigt Fig. 3. Dieser Einsatz besteht aus einem Zylinder 25 im Zentralbereich, um den herum kreis ringförmige Segmente 21, 22, 23 und 24 angeordnet sind. Diese Segmente 21 bis 24 sind so zueinander angeordnet, daß jeweils zwei benachbarte Segmente durch den gegenseitigen Abstand ihrer Segmentflächen die jeweils paarweise zueinan der punktsymmetrischen radial zum Zentrum des Einsatzes hin verlaufenden Schlitze 3 bilden. Bei diesem Ausführungsbei spiel überragt der Zentralbereich - Zylinder 25 - des dielektrischen Einsatzes die übrigen Bereiche - Segmente 21 bis 24 - bezüglich seiner Dicke (Zylinderhöhe). Durch diese Ausbildung sind insbesondere höhere Moden schwingfähig. Durch die Wahl unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten, zum Beispiel einer hohen Dielektrizitätskonstante im Zentralbereich gegenüber einer niedrigen Dielektrizitätskon stante in den Außenbereichen (Segmenten) läßt sich die An zahl der schwingfähigen Moden und der Modenabstand beein flussen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besteht der Zentralbereich aus demselben Material wie die um ihn herum angeordneten Segmente (ε = 30 bis 38). Außerhalb des dielektrischen Einsatzes, also zwischen Resonatorgehäusewand 1 und dielektrischem Einsatz 3 befindet sich Füllmaterial mit einer Dielektrizitätskonstante von zum Beispiel ε = 2 bis 4. Wie die zugehörigen Feldlinienbilder (Fig. 4 bis 15) zeigen, ergeben sich in den luft- beziehungsweise vakuumgefüllten Schlitzen 3 die höchsten Feldkomponenten. Die Energiedichte der Moden ist in allen Fällen im Dielektrikum konzentriert. Dies bewirkt eine relativ hohe Güte. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 liegt ein Sixtupel-Mode vor. Die schwingfähigen Moden in den Fig. 4 bis 15 sind bezüglich der elektrischen Felder mit Ex und bezüglich der magnetischen Felder mit Bx bezeichnet. (x = 1 bis 6).

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 16. Der dielektrische Einsatz 2 besteht aus einer scheiben artigen Struktur gleicher Dicke mit rechteckförmiger Außen begrenzung. Das Resonatorgehäuse 1 ist ebenfalls rechteck förmig. Die Schlitze 3 verlaufen jeweils von den Ecken der rechteckigen Struktur in Richtung Scheibenzentrum hin und sind paarweise zueinander punktsymmetrisch. Auch hier ver jüngen sich die Schlitze zum Scheibenzentrum hin. Zwischen dem dielektrischen Einsatz 3 und dem Resonatorgehäuse 1 be finden sich quaderförmige Bereiche 4 niedriger Elektrizi tätskonstante. Die elektrischen Felder, bezeichnet Ex, und die magnetischen Felder, bezeichnet mit Bx, sind hier in zwei Ebenen in den Fig. 17 bis 24 darstellt. x nimmt hier die Werte 1 und 2 an (Dualmode).

Als weitere Ausgestaltung des dielektrischen Einsatzes nach der Erfindung kann auch eine kugelförmige Struktur gewählt werden mit Schlitzen, die von der Kugeloberfläche in Rich tung Kugelzentrum verlaufen.

Sowohl bei der Ausgestaltung als eine in zwei Ebenen symme trischen Platte oder Pille laufen die Schlitze 3 bis fast zum Zentrum des Einsatzes hin und verhindern damit den Grundmode, der in der Regel ein Single-Mode ist (abhängig von der Dicke der Platte oder Pille) und bei Standardfiltern ausgenutzt wird. Gleichzeitig bildet sich ein Dualmode aus, dessen Energie sich in der Mitte der Struktur befindet. Neben den in den Fig. 2, 3 und 16 gezeigten Ausführungs beispielen läßt sich eine solche Struktur auch als eine Zusammensetzung von geometrischen Standardelementen, wie zum Beispiel Trapezen und einem kleinen Quader in der Mitte oder Dreiecken und einer Pille oder Quader in der Mitte realisie ren. Entsprechendes gilt für kreiszylinderförmige oder kugelförmige Strukturen. Die geschlitzte Struktur bietet auch die Möglichkeit mit der Länge und Breite der Schlitze den Modenabstand in gewissen Grenzen zu regulieren. Eine notwendige Verkopplung der beiden Moden (Dualmodebetrieb) kann ebenfalls in den Schlitzen, zum Beispiel durch Ab stimmstäbe oder unterschiedlich weites Einsägen oder durch Stufung (Fig. 16) erfolgen.

Neben den zuvor erwähnten Halterungsmöglichkeiten bietet insbesondere die in Fig. 16 dargestellte Ausführungsform folgende Vorteile:
Um zum einen hohe Feldstärken zu unterdrücken (Gefahr von multipacting) und zum anderen eine günstigere Wärmeleitung (Energieabfuhr aus dem Dielektrikum in das Resonatorgehäuse) zu ermöglichen, ist bei gleichzeitiger Erzielung hoher Güten ein Kompromiß anzustreben. Materialien mit relativ wenig Verlusten und niedriger Dielektrizitätskonstanten werden wie ein Backenfutter (quaderförmige Bereiche 4) zwischen Gehäu sewandung und Dielektrikum gelegt und halten den Einsatz be ziehungsweise dessen Teile durch eine äußere Kraft (Feder, Schrauben usw.).

Zur Erreichung einer hohen Güte sollten die Querschnittsflä chen aller Schlitze insgesamt kleiner sein als die Gesamt querschnittsfläche des dielektrischen Materials. Günstig ist es die Resonanz des TE01-Modes annähernd so groß zu wählen, wie die Resonanzfrequenz der höheren Moden.

Wenn die einzelnen Segmente des dielektrischen Einsatzes an den Gehäuseinnenwänden befestigt werden, ist es vorteilhaft, diese Segmente insbesondere zur Erhöhung der Resonatorgüte über supraleitende Brücken, zum Beispiel HTS-Elemente, an diesen Wänden zu befestigen.

Claims

1. Dielektrischer Resonator, in dessen Resonatorgehäuse (1) sich mindestens ein dielektrischer Einsatz (2) befindet, wobei der/die Einsatz/Einsätze so ausgebildet ist/sind oder im Falle eines mehrteiligen Einsatzes die Teile zueinander so angeordnet sind, daß mindestens zwei jeweils gegenüberliegende sich in Richtung Zentrum hin radial erstreckende und zueinander symme trische Schlitze (3) entstehen.

2. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein dielektrischer Einsatz (2) aus mindestens einer einstückigen scheibenartigen Struktur besteht, wobei die Schlitze (3) vom Scheibenmantel ausgehend in Richtung Scheiben zentrum verlaufen.

3. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die scheibenartige Struktur eine ringförmige Außenbegrenzung aufweist.

4. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die scheibenartige Struktur eine rechteckförmige Außenbegrenzung aufweist.

5. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schlitze (3) jeweils von den Ecken der recht eckförmigen Struktur ausgehend in Richtung Scheibenzentrum hin verlaufen.

6. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der dielektrische Einsatz (2) aus einer kugelför migen Struktur besteht, wobei die Schlitze (3) von der Kugel oberfläche ausgehend in Richtung Kugelzentrum hin verlaufen.

7. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein dielektrischer Einsatz (2) aus mehreren Segmenten (21, 22, 23, 24) besteht, wobei jeweils zwei einander benachbarte Segmente durch den gegenseitigen Abstand ihrer Segmentflächen die Schlitze bilden.

8. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die einzelnen Segmente (21, 22, 23, 24) an den Innenwänden des Resonatorgehäuses (1) befestigt sind.

9. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Befestigung der Segmente an den Innenwänden über supraleitende Brücken erfolgt.

10. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (21, 22, 23, 24) bei einem rechteckförmigen Einsatz dreiecksförmig oder trapezförmig und bei einem kreisförmigen Einsatz kreissektor- oder kreisringförmig ausgebildet sind.

11. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Einsatz (2) aus Bereichen unterschiedlich hoher Dielektrizitätskonstanten be steht.

12. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Zentralbereich des Einsatzes (2) eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweist als jene Bereiche, in denen die Schlitze (3) vorgesehen sind.

13. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralbereich des dielektri schen Einsatzes (2) die übrigen Bereiche bezüglich seiner Dicke überragt.

14. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralbereich aus einem Zylinder (25) besteht um den herum die Segmente (21, 22, 23, 24) angeordnet sind.

15. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (21, 22, 23, 24) am Zylinder befestigt sind.

16. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (3) im ihrem gesamten Verlauf im wesentlichen den gleichen Querschnitt aufweisen oder sich in Richtung Zentrum hin verjüngen.

17. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Zentralbereiches gegenüber den übrigen Bereichen so gewählt ist, daß insbesondere höhere Moden schwingfähig sind.

18. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (3) so angeordnet sind, daß sie die elektrischen Feldlinien des TE01-Modes schneiden.

19. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Schlitze (3) so gewählt ist, daß die Resonanzfrequenz des TE01-Modes annähernd so groß ist wie die Resonanzfrequenz der höheren Moden.

20. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen aller Schlitze insgesamt kleiner sind als die Gesamtquerschnittsfläche des dielektrischen Materials.

21. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (3) gestuft ausgebildet sind.

22. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (3) Abstimmelemente aufweisen.

23. Verwendung des dielektrischen Resonators nach einem der Ansprüche 1 bis 22 für ein Mikrowellenfilter.