DE19543179A1 - Mikrowellenresonator, Verfahren zur Herstellung eines solchen Resonators sowie Verfahren zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz eines Mikrowellenresonators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenresonator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kompensation des Tempe­ raturkoeffizienten der Resonanzfrequenz eines Mikrowel­ lenresonator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Mikrowellenresonatoren weisen eine temperaturabhängige Resonanzfrequenz auf, die für viele Anwendungen störend ist. Die physikalische Ursache für die Temperaturabhän­ gigkeit der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators liegt in der thermischen Ausdehnung des Resonatormate­ rials, ggfs. in der Temperaturabhängigkeit der Dielek­ trizitätszahl von in den Resonatorraum eingebrachten dielektrischen und/oder planaren Resonatoren sowie in der Temperaturabhängigkeit der Hochfrequenzfeldein­ dringtiefe, insbesondere bei supraleitenden Resonatoren begründet. Alle diese Effekte führen im Ergebnis dazu, daß sich die Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators mit einer Änderung der Arbeitstemperatur ändert; mit fallender Temperatur steigt die Resonanzfrequenz an.

Insbesondere bei dielektrischen Resonatoren auf der Ba­ sis von Hochtemperatur-Supraleitern, die ein großes Po­ tential für zukünftige Filter und Oszillatoren in der Mikrowellen-Kommunikationstechnik besitzen, ist die Größe des Temperaturkoeffizienten stets mit der Höhe der Anforderungen an die Temperaturstabilität des Küh­ lers korreliert, so daß eine Minimierung des Tempera­ turkoeffizienten wünschenswert ist. Dies gilt insbeson­ dere für Oszillatoren auf der Basis dielektrischer Re­ sonatoren mit supraleitender Abschirmung wie beispiels­ weise aus N. Klein et al., IEEE Transactions on Applied Superconductivity 5,2663,1995 oder N. Klein et al., eingeladener Vortrag bei der European Conference on Applied Superconductivity, Juli 1995 bekannt, die hin­ sichtlich des Temperaturkoeffizienten der Resonanzfre­ quenz besonders kritisch sind.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung einen Mikrowellen­ resonator zu schaffen, sowie ein Verfahren zur Herstel­ lung eines solchen bereitzustellen, bei dem eine ver­ ringerte Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators erreicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Mikrowellenresona­ tor gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren ge­ mäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 4. Weite­ re zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.

Die Erfindung besteht darin, einen dielektrischen Kör­ per mit negativem Temperaturkoeffizienten in den Reso­ nator einzubringen. Es wurde zudem erkannt, daß das Verhalten eines solchen dielektrischen Körpers dazu führt, daß dadurch bei geeigneter Anordnung und Abmes­ sungen des Körpers der durch die oben erklärten Effekte verursachte Temperaturkoeffizient in einem mehr oder weniger großem Temperaturintervall kompensiert werden kann.

Zur Steigerung der Güte des Mikrowellenresonators kann die Wandung teilweise oder ganz aus supraleitendem Ma­ terial (insbesondere aus hochtemperatursupraleitendem Material) ausgebildet sein. Außerdem kann ein Dielektrikum als dielektrischer Resonator mit der Wandung des Resonatorraums - insbesondere lösbar - verbunden sein. Als Material für einen solchen dielektrischen Resonator kann zum Beispiel Saphir gewählt werden.

Es wurde zudem erkannt, daß Rutil (einkristallines TiO₂) einen sehr hohen, negativen Temperaturkoeffizien­ ten der relativen Dielektrizitätszahl besitzt und inso­ fern als Material für einen solchen dielektrischen Kör­ per extrem geeignet ist. In vorteilhafter Weise sind darüberhinaus die Mikrowellenverluste im Falle des Ein­ satzes von Rutil als dielektrischer Körper bei kryoge­ nen Temperaturen sehr niedrig, so daß eine nennenswer­ ten Gütedegradation des Mikrowellenresonators vermieden wird.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figur und Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Querschnitt durch einen Resonatorraum mit zylindrischer Form in der senkrech­ ten Mittelachse des Zylinders;

Fig. 2a, b, c nummerisch berechnete Feldverteilung der aufnommenen Energie in der rechten Quer­ schnittshälfte des in Fig. 1 darge­ stellten Resonatorraums;

Fig. 3 Temperaturkoeffizient der Rutilplatte nach Fig. 1 als Funktion der Platten­ dicke.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt als Beispiel den Resonatorraum eines Mikrowellenresonators. Dieser Raum wird von einer lei­ tenden Abschirmung begrenzt und enthält einen dielek­ trischen Resonator aus Saphir, der in der TE₀₁_δ-Mode über eine im einzelnen nicht dargestellte Einkoppelan­ tenne bei einer Frequenz von 10 GHz angeregt wird. Auch die Auskoppelantenne zur Auskopplung der Mikrowelle ist in der Fig. 1 nicht dargestellt. Zur Maximierung des Gütefaktors kann die obere und/oder untere Endplatte des zylinderförmigen Hohlraums durch Schichten aus Hochtemperatur-Supraleitern gebildet werden. Als Bei­ spiel eines dielektrischen Körpers mit negativem Tempe­ raturkoeffizienten wurde beispielhaft eine dünne Platte aus Rutil an der oberen Endplatte des Resonatorraumes fixiert.

In Fig. 2a, b, c ist die numerisch berechnete Vertei­ lung der Energie des elektrischen Feldes für die rech­ ten Hälfte des in Fig. 1 gezeigten Resonatorraumes dargestellt. Dabei bestimmt der Wert der in der Rutil­ platte gespeicherten Energie die Größe des negativen Temperaturkoeffizienten. Bei den Fig. 2a, 2b und 2c handelt es sich um ein und das selbe Ergebnis mit un­ terschiedlichen dargestellten Graubereichen als Dar­ stellung des farbigen Originals nach Fig. 2a. Dieses Original läßt im Ergebnis einen Verlauf von kleineren zu größeren Werten hin für die Feldverteilung im Be­ reich der Mitte der Rutilplatte bei etwa Z=9.00E-03 sowie im Bereich des Saphir-Resonators bei etwa Z=4.5E-03 und etwa R=4.5E-03 erkennen.

Fig. 3 zeigt den numerisch berechneten negativen Tem­ peraturkoeffizienten der Rutilplatte nach Fig. 1 bei einer Temperatur von 60 K als Funktion der Dicke der Rutilplatte (Punkte mit durchgezogener Linie) sowie den an dem Mikrowellenresonator ohne Rutilplatte experimen­ tell bestimmten Wert (gestrichelte Linie) des positiven Temperaturkoeffizienten bei 60 K.

Man erkennt, daß sich bei einer Plattendicke von etwa 0,56 mm beide Effekte kompensieren. Bei dieser Platten­ dicke erwartet man deshalb einen weitgehend temperatu­ runabhängig arbeitenden Mikrowellenresonator. Es sind jedoch auch andere geometrische Anordnungen denkbar, bei denen diese Kompensation erreicht und auf diese Weise die Resonanzfrequenz des Resonators praktisch temperaturunabhängig wird.

Durch Messung des - negativen - Temperaturkoeffizienten in einem die Arbeitstemperatur des Resonators enthal­ tenden Temperaturintervall, beispielsweise zwischen 4K und Zimmertemperatur, ist auf diese Weise die Bestim­ mung der zur Kompensation erforderlichen Geometrie des Resonators für ein zu definierendes Temperaturintervall im gesamten Temperaturbereich möglich.

Claims (5)

1. Mikrowellenresonator mit Resonatorraum und in diese hineinragenden Mitteln zum Ein- und Auskoppeln einer Mikrowelle, gekennzeichnet durch einen im Resonatorraum befindlichen dielektrischen Körper mit negativem Temperaturkoeffizienten.

2. Mikrowellenresonator nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch supraleitendes, insbesondere hochtemperatursupraleitendes Material zur Bildung wenigstens ein Teil der als elektrische Abschirmung wirkenden Wandung des Resonatorraumes.

3. Mikrowellenresonator nach Anspruch 1 oder 2 mit einem im Resonatorraum mit der Wandung, insbesondere lösbar verbundenen Dielektrikum.

4. Verfahren zur Herstellung eines Mikrowellenreso­ nators mit Resonatorraum, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im gebildeten Resonatorraum ein dielektrischer Körper mit negativem Temperaturkoef­ fizient vorgesehen wird.

5. Verfahren zur Kompensation des Temperaturkoeffi­ zienten der Resonanzfrequenz eines Mikrowellenre­ sonators bei dem ein in den Resonatorraum des Mikro­ wellenresonators eingebrachter, dielektrischer Kör­ per mit negativem Temperaturkoeffizient eingesetzt wird.