DE19921926A1 - Dielektrisches Mikrowellenfilter - Google Patents

Abstract

Ein dielektrisches Filter (1) für Mikrowellensignale hat einen Resonatorkörper (3) in Form eines Kegel- oder Pyramidenstumpfs.

Description

Die Erfindung betrifft ein dielektrisches Filter mit einem Eingang und einem Ausgang für ein Mikro­ wellensignal und einem durch das Mikrowellensignal zu elektromagnetischen Schwingungen anregbaren, ro­ tationssymmetrischen dielektrischen Resonatorkör­ per. Ein solches Filter ist zum Beispiel in DE 196 176 98 C1 beschrieben.

Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von dielektrischen Filtern sowie ein Verfahren zur Einstellung der Modenkopplung in dielektrischen Filtern.

Filter für Hochfrequenz-, insbesondere Mikrowellen­ signale werden in großer Zahl in Satelliten einge­ setzt. Aufgrund der sehr hohen Transportkosten für Satelliten-Nutzlasten ist man bestrebt, eine durch die von dem Satelliten zu erfüllende Aufgabe vorge­ gebene Filterfunktion durch ein Filter mit mög­ lichst geringem Gewicht und Volumen zu realisieren. Aufgrund der notwendigen, sehr hohen Güten werden oftmals Hohlraumresonatorfilter eingesetzt. Wie in der Druckschrift "Application of Dual TM Mode to Triple and Quadruple-Mode Filters", Rene R. Bonetti and Albert E. Williams, IEEE Transactions on Micro­ wave Theory and Techniques, Band MTT-35, Nr. 12, Dezember 1987, Seiten 1143 bis 1149 beschrieben, ist eine Methode, das Volumen besser auszunutzen, die Verwendung von Dual-Mode-, Triple-Mode- oder Quadruple-Mode-Filtern. Diese Filter weisen auf­ grund einer Symmetrie ihrer geometrischen Form de­ generierte Moden auf, von denen jeweils eine über den Signaleingang des Filters angeregt wird. Eine geringfügige Abweichung der Gestalt des Filters von der absoluten Symmetrie bewirkt eine Kopplung von der angeregten Mode in eine degenerierte, orthogo­ nale Mode. Die so angeregte Mode kann - im Falle eines Dual-Mode-Filters - an dessen Ausgang als Ausgangssignal abgegriffen, oder - im Falle von hö­ heren Multiple-Mode Filtern - zur Anregung einer weiteren degenerierten Mode herangezogen werden. Die Wirkung eines solchen Multiple-Mode-Filters entspricht einer Reihenschaltung mehrerer Monomode- Filter bei einem Bruchteil von deren Volumen und Gewicht.

Eine weitere Möglichkeit, den Platzbedarf von Fil­ tern zu verringern, ist die Verwendung von dielek­ trischen Werkstücken. Durch deren Einsatz lassen sich die linearen Abmessungen des Filters propor­ tional zur Quadratwurzel der relativen Dielektrizi­ tätszahl verkleinern. Ein Beispiel für ein Filter, bei dem beide Methoden kombiniert sind, ist in US 4 489 293 A offenbart. Durch die Verkleinerung der Struktur ergeben sich allerdings im Vergleich zu einem Hohlraumresonator größere Wandströme in den den dielektrischen Resonator umgebenden metalli­ schen Begrenzungen des Filtergehäuses und damit ei­ ne Verringerung der Resonatorgüte. Deshalb ist im allgemeinen ein Kompromiß notwendig. Die begrenzen­ den Metallflächen sind in einem gewissen Abstand zum Dielektrikum angebracht.

Um diesen Abstand verringern zu können, ohne eine Verschlechterung der Resonatorgüte in Kauf nehmen zu müssen, ist es notwendig, Resonatorgeometrien zu finden, bei denen das aus dem dielektrischen Reso­ natorkörper austretende Feld der technisch relevan­ ten Resonatormoden relativ gering ist, so daß diese mit den umgebenden Metallflächen nur wenig wechsel­ wirken. In der bereits zitierten Schrift DE 196 17 698 C1 wird vorgeschlagen, als Resonatorkörper eine Halbkugel zu verwenden. Diese Halbkugel ist mit ih­ rer ebenen Fläche auf einer hochtemperatursupralei­ tenden Platte angebracht. Bei einer aus der Druck­ schrift "High Temperature Super-Conductor Shielded High Power Dielectric Dualmode Filter for Applica­ tions in Satellite Communications, S. Schornstein, I.S. Ghosh and N. Klein, IEEE MTT-S Digest, Seiten 1319 bis 1322, 1998 bekannten Variante wird eben­ falls ein halbkugelförmiger Resonatorkörper verwen­ det, der durch einen Fuß aus dielektrischem Materi­ al von einer metallischen Abschirmfläche beabstan­ det ist.

Aufgrund seiner geringen dielektrischen Verluste wird als Werkstoff für den Resonatorkörper vorzugs­ weise einkristallines Lanthanaluminat oder ähnli­ ches verwendet. Die Herstellung eines halbkugelför­ migen dielektrischen Körpers aus diesem Werkstoff ist jedoch aus mehreren Gründen nicht einfach. Da der Werkstoff sehr hart und spröde ist, kann die Form nur durch Schleifen hergestellt werden. Um ei­ ne exakt gekrümmte Oberfläche zu schleifen, muß ei­ ne hochpräzise, numerisch gesteuerte Schleifmaschi­ ne verwendet werden. Diese Art der Herstellung ist sehr zeitaufwendig und sehr teuer. Die Resonanzfre­ quenz des Resonatorkörpers ist empfindlich von des­ sen Form und von der Dielektrizitätszahl seines Ma­ terials abhängig. Eine Feinabstimmung dieser Reso­ nanzfrequenz ist an einem halbkugelförmigen Resona­ torkörper nur in engen Grenzen möglich.

Da die Dielektrizitätszahl des Rohmaterials Schwan­ kungen unterliegt, muß von jeder Rohmaterialliefe­ rung zuerst ein Probestück gefertigt werden und dann die genaue Geometrie der zu fertigenden Reso­ natorkörper definiert werden, wenn eine vorgegebene Resonanzfrequenz realisiert werden soll.

Vorteile der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein dielektri­ sches Mikrowellenfilter geschaffen, das kostengiui­ stig gefertigt werden kann und das in einfacher Weise auf eine geforderte Resonanzfrequenz abstimm­ bar ist. Diese Vorteile werden bei einem dielektri­ schen Filter der eingangs beschriebenen Art er­ reicht mit Hilfe eines Resonatorkörpers, der zwei verschieden große Grundflächen senkrecht zu seiner Rotationssymmetrieachse und die Grundflächen ent­ lang gerader Linien verbindende Seitenflächen hat. Ein solcher Resonatorkörper kann durch einfaches Rund- und/oder Planschleifen schnell und preiswert gefertigt werden.

Die Proportionen der Grund- und Seitenflächen sind zweckmäßigerweise so gewählt, daß der Resonatorkör­ per einer Halbkugel ähnelt, um eine Modenstruktur der Eigenschwingungen des Resonatorkörpers zu er­ reichen, die derjenigen einer Halbkugel ähnelt und entsprechend geringe Feldanteile außerhalb des Re­ sonatorkörpers aufweist.

In einer einfachen Ausgestaltung kann der Resona­ torkörper ein Kegelstumpf oder ein Stumpf einer Py­ ramide mit im Prinzip beliebiger Seitenzahl sein.

Vorzugsweise trägt der Resonatorkörper an einer seiner Grundflächen, vorzugsweise der großen Grund­ fläche einen Fuß, der zur Befestigung des Resona­ torkörpers in einem Gehäuse mit einem Abstand zwi­ schen der den Fuß tragenden Grundfläche und einer metallischen Gehäusewandung dient.

Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Filter ein Multiple-Mode-Filter. Als symmetriestörendes Ele­ ment oder Modenkoppler kann in herkömmlicher Weise eine Schraube dienen, die in dem Gehäuse des Fil­ ters befestigt ist und in einen den Resonatorkörper umgebenden Innenraum des Filters eingreift. Eine Symmetriestörung kann aber auch dadurch geschaffen werden, daß eine der Grundflächen des Resonatorkör­ pers bezogen auf die andere wenigstens zum Teil ge­ ringfügig schräg verläuft.

Es kann vorkommen, daß im Nutzfrequenzband eines dielektrischen Filters höhere Schwingungsmoden exi­ stieren, deren Felder in der Nähe der Oberfläche des Resonatorkörpers konzentriert sind. Derartige Moden werden von der Umgebung des Resonatorkörpers, insbesondere von dem Gehäuse, stark beeinflußt und sind deshalb für Filterzwecke schlecht geeignet. Um solche Moden zu unterdrücken oder aus dem Nutzfre­ quenzband herauszuschieben, kann an dem Resonator­ körper lokal dielektrisches Material auf- und/oder abgetragen sein. Derartige lokale Veränderungen ha­ ben nur geringen Einfluß auf Moden mit im Inneren des Resonatorkörpers konzentriertem Feld.

Ein dielektrischer Körper mit wenigstens einer pla­ nen Grundfläche, wie der Resonatorkörper des erfin­ dungsgemäßen Filters, eignet sich gut zur Feinab­ stimmung seiner Resonanzfrequenz durch Abtragen von Material an der Grundfläche. Es ist daher möglich, solche Resonatorkörper als Rohlinge in großer Stückzahl herzustellen, wobei bei diesen Rohlingen Streuungen der Resonanzfrequenz, zum Beispiel auf­ grund von Unterschieden in der Dielektrizitätszahl, des verwendeten Ausgangsmaterials, in Kauf genommen werden können, und jeder Rohling anschließend durch Abtragen von Material an der Grundfläche auf eine gewünschte Resonanzfrequenz feinabgestimmt werden kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen.

Figuren

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes dielek­ trisches Filter im axialen Schnitt;

Fig. 2 zeigt das Filter im Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Resonatorkörpers gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfin­ dung;

Fig. 4 zeigt Querschnitte von zur Unter­ drückung von unerwünschten Moden bearbeiteten Resonatorkörpern; und

Fig. 5 veranschaulicht die Abstimmung der dielektrischen Filter auf eine ge­ gebene Resonanzfrequenz.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 und 2 zeigen Schnitte durch ein erfin­ dungsgemäßes Filter 1, hier ein Dual-Mode- Zweipolfilter. Linien II-II in Fig. 1 und I-I in Fig. 2 kennzeichnen die Schnittebene der jeweils anderen Figur.

Das Filter 1 hat ein zylinderförmiges metallisches Abschirmgehäuse 2. Ein Resonatorkörper 3 aus Lanthanaluminat ist im Inneren des Gehäuses 2 ange­ ordnet und mit dessen Boden 4 durch einen Fuß 5 verbunden, der zusammen mit dem Resonatorkörper 3 einteilig ausgebildet ist.

Der Resonatorkörper 3 hat die Form eines Kegel­ stumpfs mit einer großen Grundfläche 6, einer klei­ nen Grundfläche 7 und einer sich im Querschnitt der Fig. 1 geradlinig erstreckenden, kegelmantelförmi­ gen Seitenfläche 8. Die Proportionen der Flächen 6, 7,8 sind so gewählt, daß die von dem Resonator­ körper 3 unterstützten Moden denen eines halbkugel­ förmigen Körpers ähnlich sind; der Durchmesser der kleinen Grundfläche 7 und die Höhe des Resonator­ körpers 3 liegen jeweils im Bereich des 0,4 bis 0,6-fachen des Durchmesser der großen Grundfläche 6. Dieser kann zum Beispiel für eine Arbeitsfre­ quenz des Filters im Bereich von 23 bis 25 mm lie­ gen.

Ein Eingang 9 und ein Ausgang 10 für ein Mikrowel­ lensignal erstrecken sich durch den Boden 4 des Ge­ häuses 2. Sie haben die Form von Koaxialkabeln mit einem Innenleiter 11, der das Gehäuse 2 durchdringt und im Gehäuseinneren in geringem Abstand von der großen Grundfläche 6 des Resonatorkörpers endet.

Der Resonatorkörper 3 hat eine Rotations- Symmetrieachse 12. Über den Eingang 9 wird im Reso­ natorkörper 3 ein Feld mit einem elektrischen Feld­ vektor 13 induziert, der entlang der Verbindung zwischen dem Eingang 9 und der Symmetrieachse 12 orientiert ist, wie insbesondere in der Draufsicht auf den Resonatorkörper 3 in Fig. 2 zu erkennen. Eine durch den Boden 4 ins Gehäuseinnere eingrei­ fende Schraube 14 stellt einen Modenkoppler dar, der mit dem Anteil der über den Eingang 9 angereg­ ten Mode wechselwirkt, der sich außerhalb des Reso­ natorkörpers befindet, und der so die Symmetrie des Filters 1 stört und einen Übergang von Mikrowellen­ energie in eine zu der angeregten Mode orthogonale Mode mit Feldvektor 15 bewirkt. Mikrowellenenergie aus dieser Mode wird über den Ausgang 10 des Fil­ ters ausgekoppelt.

Fig. 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Va­ riante eines Resonatorkörpers für ein dielektri­ sches Filter. Dieser Resonatorkörper 3' hat die Form eines Pyramidenstumpfs mit quadratischen Grundflächen 6', 7' und vier Seitenflächen 8'. Ein Fuß 5' ist ebenfalls in Form eines - kleineren - Pyramidenstumpfs ausgebildet. Auch dieser Resona­ torkörper verfügt über eine Rotations- Symmetrieachse 12, die Achse ist vierzählig, so daß der Resonatorkörper 3' orthogonale Sätze von entar­ teten Moden unterstützt.

Um eine Kopplung zwischen den Sätzen von Moden zu erzielen, ist die kleine Grundfläche 7 in einer Ec­ ke 16 schräg abgeschliffen. Die Abschrägung könnte sich auch über die gesamte kleine Grundfläche 7' erstrecken.

Eine Modenkopplung durch Abschrägung einer Grund­ fläche anstelle der Verwendung einer Schraube ist selbstverständlich auch bei dem Filter aus Fig. 1 und 2 möglich.

Die Zahl der Seitenflächen des Resonatorkörpers 3' kann selbstverständlich auch größer als 4 sein. Je größer die Zahl der Seitenflächen ist, umso größer ist die Ähnlichkeit zu der in Fig. 1 vorgeschlage­ nen Variante.

Gemäß einer nicht gezeichneten Variante kann der Resonatorkörper auch einteilig aus zwei oder mehr gestapelten Kegel- oder Pyramidenstümpfen bestehen, so daß sich eine die Grundflächen entlang von zwei oder mehr geraden Linien verbindende Seitenfläche ergibt. Dies erlaubt eine bessere Approximation der Halbkugelform.

Wie bei jedem anderen Resonator sind auch bei den Resonatorkörpern der Fig. 1, 2 beziehungsweise 3 unendlich viele Schwingungsmoden möglich. Problema­ tisch wird dies, wenn die Resonanzfrequenz einer höheren Mode in das Nutzband fällt. Dann muß durch besondere Maßnahmen diese Störmode aus dem Nutzband geschoben oder unterdrückt werden. Einige solche Maßnahmen sind in Fig. 4 skizziert. Diese Maßnah­ men umfassen zum Beispiel das Schleifen einer Rille 17 in die Seitenfläche 8 des Resonatorkörpers 3, das Verlängern der Seitenfläche 8 über die große Grundfläche 6 hinaus durch Anbringen eines Rings 18, das Abstumpfen der spitzen Kanten 19 zwischen Seitenfläche 8 und großer Grundfläche 6 oder das Vergrößern des Übergangsquerschnitts 20 zwischen der großen Grundfläche 6 und dem einteilig damit verbundenen Fuß 5.

Alle diese Maßnahmen beeinflussen die Nutzmoden nur wenig. Als Nutzmoden werden nämlich unter den mög­ lichen Schwingungsmoden des Resonatorkörpers dieje­ nigen ausgewählt, bei denen sich der Hauptanteil des elektromagnetischen Feldes innerhalb des Reso­ natorkörpers 3 befindet. Diese Eigenschaft ist auch ausschlaggebend dafür, daß diese Moden durch das metallische Gehäuse nur gering gedämpft werden, so daß sich mit diesen Moden extrem hohe Güten erzie­ len lassen. Bei den Störmoden hingegen befindet sich auch ein signifikanter Feldanteil am Rand des Dielektrikums. Deshalb werden diese Moden durch die skizzierten Maßnahmen stark beeinflußt.

Fig. 5 veranschaulicht die Herstellung von dielek­ trischen Filtern mit exakt vorgegebener Resonanz­ frequenz gemäß der Erfindung. In einem ersten Schritt wird aus einem dielektrischen Material wie etwa einkristallinen Lanthanaluminat der in Fig. 5a) gezeigte Rohling geschliffen. Dieser Rohling hat bei einer relativen Dielektrizitätszahl ε_r eine Resonanzfrequenz f₀. Um diesen Rohling auf eine für eine bestimmte Anwendung vorgegebene Resonanzfre­ quenz f₁ oder f₂ abzustimmen, genügt es, an der von dem Fuß 5 abgewandten Grundfläche 7 Material abzu­ schleifen, wodurch sich die Resonanzfrequenz er­ höht. Das Schleifen wird solange fortgesetzt, bis die Resonanzfrequenz des Körpers 3 mit der ge­ wünschten Frequenz übereinstimmt. Wenn zu einem späteren Zeitpunkt dielektrisches Material mit ei­ ner geringfügig abweichenden relativen Dielektrizi­ tätszahl ε_r + δε_r verarbeitet wird, so kann zunächst ebenfalls ein Rohling mit den in Fig. 5a) gezeig­ ten Abmessungen angefertigt werden. Um diesen Roh­ ling ebenfalls auf die vorgegebene Resonanzfrequenz f₂ abzustimmen, genügt es, dessen kleine Grundflä­ che 7 geringfügig weiter abzutragen, als in Fig. 5c) gezeigt (siehe Fig. 5d)). In Verbindung mit dem Abstimmen kann zweckmäßigerweise auch die in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene Abschrägung der Grundfläche 7 zum Zwecke der Modenkopplung erzeugt werden.

Außer der Grundfläche 7 müssen keine anderen Flä­ chen des Resonatorkörpers mehr bearbeitet werden. Der Rohling kann daher kostengünstig in großer Stückzahl gefertigt und auf Lager gelegt werden. Je nach Anforderung kann dann sehr flexibel und schnell ein Filter mit einer gewünschten Resonanz­ frequenz hergestellt werden.

Insbesondere können alle Filter für einen Multiple­ xer aus einer Rohform hergestellt werden. Damit kann die Lieferzeit eines solchen Multiplexers we­ sentlich reduziert werden, da nach Bekanntgabe des Frequenzplaners durch den Kunden die dielektrischen Körper für alle Kanäle schnell durch Schleifen ei­ ner Fläche bereitgestellt werden können.

Zum Abtragen der Grundfläche 7 können die gleichen, an sich bekannten Bearbeitungsverfahren wie etwa Bandschleifen, Honen oder Läppen eingesetzt werden, die auch bei der Herstellung des Rohlings selbst Anwendung finden.

Claims (9)

1. Dielektrisches Filter mit einem Eingang und ei­ nem Ausgang für ein Mikrowellensignal und einem durch das Mikrowellensignal zu elektromagnetischen Schwingungen anregbaren, rotationssymmetrischen dielektrischen Resonatorkörper, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Resonatorkörper (3; 3') zwei ver­ schieden große Grundflächen (6, 7; 6', 7') senkrecht zu der Rotations-Symmetrieachse (12) und die Grund­ fläche (6, 7; 6', 7') entlang gerader Linien verbin­ dende Seitenflächen (8; 8') hat.

2. Dielektrisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorkörper (3) ein Ke­ gelstumpf ist.

3. Dielektrisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorkörper (3') ein Pyramidenstumpf ist.

4. Dielektrisches Filter nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Resonatorkörper (3, 3') an einer Grundfläche (6, 6') einen Fuß (5, 5') für die Befe­ stigung des Resonatorkörpers in einem Gehäuse (2) trägt.

5. Dielektrisches Filter nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Multiple-Mode-Filter ist.

6. Dielektrisches Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Dual-Mode-Filter ist und daß eine der Grundflächen (7) bezogen auf die ande­ re (6) geringfügig abgeschrägt ist, um eine Moden­ kopplung zu erzielen.

7. Dielektrisches Filter nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Resonatorkörper (3) lokal dielektrisches Mate­ rial auf- und/oder abgetragen ist, um unerwünschte Moden zu unterdrücken oder ihre Frequenz zu ver­ schieben.

8. Verfahren zur Herstellung von dielektrischen Filtern mit exakt vorgegebener Resonanzfrequenz mit den Schritten:

• 1. Herstellen eines Resonatorkörpers (3) aus dielek­ trischem Material mit wenigstens einer Grundfläche (7), der eine niedrigere als die vorgegebene Reso­ nanzfrequenz aufweist,
• 2. Abtragen von Material an der Grundfläche (7), bis die Resonanzfrequenz des Resonatorkörpers (3) mit der vorgegebenen übereinstimmt.

9. Verfahren zur Einstellung der Modenkopplung in einem dielektrischen Resonatorkörper (3') eines dielektrischen Multiple-Modefilters, bei dem von zwei gegenüberliegenden Grundflächen (6', 7') des Resonatorkörpers (3') eine (7') abgeschrägt wird.