DE2135566A1

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Publication number: DE2135566A1
Application number: DE19712135566
Authority: DE
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1970-08-05
Filing date: 1971-07-16
Publication date: 1972-02-10
Also published as: GB1321493A; JPS5316660B1; FR2101239A1; DE2135566B2; US3633104A; FR2101239B1

Description

Hewlett-Packard Comp.
1501 Page Mill Road
Palo Alto
California 94304
USA
Case 588Hewlett-Packard Comp.
1501 Page Mill Road
Palo Alto
California 94304
United States
Case 588

15. JuIi 1971July 15, 1971

ELEKTROMAGNETISCHER RESONATORELECTROMAGNETIC RESONATOR

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Resonator mit ersten und zweiten metallischen Schichten und einer ersten dielektrischen Schicht, die mit der ersten metallischen Schicht verbunden ist.The invention relates to an electromagnetic resonator having first and second metallic layers and a first dielectric layer that coincides with the first metallic layer is connected.

Ein elektromagnetischer Resonator kann aufgebaut werden, indem ein Leiter parallel zu und isoliert von einer Grundebene angeordnet wird. Falls dieser Leiter die Form einer Scheibe hat, wird die Resonanzfrequenz der Anordnung durch den Radius der Scheibe und die Dielektrizitätskonstante des Materiales zwischen der Scheibe und der Grundebene bestimmt. Temperaturänderungen können Änderungen der Resonanzfrequenz der Anordnung hervorrufen, indem sie den Radius der Scheibe oder die Dielektrizitätskonstante des Materiales zwischen der Scheibe und der Grundebene beeinflussen.An electromagnetic resonator can be constructed by placing a conductor parallel to and isolated from a ground plane. If that ladder is in the form of a Disk, the resonance frequency of the assembly is determined by the radius of the disk and the dielectric constant of the Material determined between the disc and the ground plane. Changes in temperature can cause changes in the resonance frequency of the assembly by increasing the radius of the disc or affect the dielectric constant of the material between the disk and the ground plane.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und die Frequenzstabilität des Resonators zu verbessern.The invention is based on the object of avoiding the aforementioned disadvantages and the stability of the frequency to improve the resonator.

Ausgehend von einem elektromagnetischen Resonator der eingangs genannten Gattung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste dielektrische Schicht einen kleineren linearen thermischen Ausdehnungskoeffi-Based on an electromagnetic resonator of the type mentioned at the beginning, this object is achieved according to the invention solved in that the first dielectric layer has a smaller linear thermal expansion coefficient

p zienten als die erste metallische Schicht hat, eine zweite dielektrische Schicht neben einer der ersten und zv/eiten metallischen Schichten angeordnet ist und einen thermischen Koeffizienten der Dielektrizitäts-Konstanten aufweist, der kleiner als oder von entgegengesetzter Polarität wie derjenige der ersten dielektrischen Schicht ist, wenn die zweite dielektrische Schicht neben der zv/eiten metallischen Schicht liegt und einen thermischen Koeffizienten der Dielektrizitäts-Konstanten mit entgegengesetzter Polarität gegenüber demjenigen der ersten dielektrischen Schicht hat, wenn die zweite dielektrische Schicht neben der ersten metallischen Schicht liegt und die ersten und zweiten metallischen Schichten durch wenigstens eine der dielektrischen Schichten getrennt sind.more efficient than the first metallic layer, a second dielectric layer is arranged next to one of the first and second metallic layers and a thermal Has dielectric constant coefficients less than or of opposite polarity as that of the first dielectric layer is when the second dielectric layer is adjacent to the second dielectric layer metallic layer and a thermal coefficient of dielectric constant with opposite Has polarity opposite that of the first dielectric layer when the second dielectric layer next to the first metallic layer and the first and second metallic layers by at least one the dielectric layers are separated.

Wenn die Metallscheibe mit einem dielektrischen Substrat mit einem geringeren linearen, thermischen Ausdehnungs-If the metal disc with a dielectric substrate with a lower linear thermal expansion

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koeffizienten verbunden ist, so ist der effektive lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der Scheibe derjenige des dielektrischen Substrates. Somit können Änderungen in der Resonanzfrequenz aufgrund von Änderungen des Radius der Scheibe herabgesetzt werden. Die thermische Stabilität des Dielektrikums zwischen der Scheibe und der Grundebene kann indessen erfindungsgemäß weiter ver-bessert werden, indem zwischen dem Substrat und der Grundebene ein anderes Dielektrikum eingesetzt wird, dessen Dielektrizitäts-Konstante entweder einen niedrigeren thermischen Koeffizienten oder einen Koeffizienten entgegengesetzter Polarität aufweist. Durch Verminderung der Temperaturwirkungen auf den Radius der Scheibe und die Dielektrizitäts-Konstante des Dielektrikums wird somit die Frequenzstabilität des Resonators verbessert.coefficient is connected, the effective coefficient of linear thermal expansion of the disk is that of the dielectric substrate. Thus, changes in the resonance frequency due to changes in the Radius of the disc can be reduced. The thermal stability of the dielectric between the disc and the ground plane can, however, according to the invention be further improved by inserting another dielectric between the substrate and the ground plane, its Dielectric constant either a lower thermal coefficient or a coefficient of opposite Has polarity. By reducing the effects of temperature on the radius of the disc and the dielectric constant of the dielectric thus improves the frequency stability of the resonator.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar Fig. 1 perspektivisch eine Schnittansicht eines elektromagnetischen Resonators nach der Erfindung; Fig. 2 bis 4 zwei Schnittansichten anderer Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Resonators; Fig. 5 einen elektromagnetischen Resonator, beispielsweise nach Fig. 1, in einem Doppler-Radar.The following are preferred embodiments of the invention explained with reference to the drawings; Fig. 1 is a perspective sectional view of an electromagnetic Resonator according to the invention; FIGS. 2 to 4 show two sectional views of other embodiments of a resonator according to the invention; 5 shows an electromagnetic resonator, for example according to FIG. 1, in a Doppler radar.

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Gemäß Fig. 1 ist ein elektromagnetischer Resonator IO in einer Metallschicht oder Scheibe 12 enthalten, welche mit einer dielektrischen Schicht oder einem Substrat verbunden ist, das auf einer Metallschicht oder einem Block 16 angeordnet ist. Der Metallblock 16 hat direkt unterhalb der Scheibe 12 eine Ausnehmung 17 für eine dielektrische Schicht 18, die beispielsweise aus Luft bestehen kann. Der Boden der Ausnehmung 17 bildet eine Grundebene 20. Die Ausnehmung 17 ist im Durchmesser hinreichend größer als die Scheibe 12, so daß alle elektrischen Feldlinien von der Scheibe 12 im wesentlichen rechtwinklig zur Grundebene 20 verlaufen. Auf dem Substrat aufgebrachte Bandleitungen 22 werden verwendet, um Signale in den Resonator 10 und aus diesem herauszukoppeln. Die Spalten 24 wirken als Kopplungskondensatoren zwischen den Bandleitungen 22 und der Scheibe 12.According to Fig. 1, an electromagnetic resonator is IO contained in a metal layer or disc 12 which is coated with a dielectric layer or substrate is connected, which is arranged on a metal layer or block 16. The metal block 16 has directly below the disk 12 a recess 17 for a dielectric layer 18, which for example consists of air can exist. The bottom of the recess 17 forms a base plane 20. The recess 17 is sufficient in diameter larger than disk 12 so that all of the electric field lines from disk 12 are substantially perpendicular run to ground level 20. Ribbon lines 22 applied to the substrate are used to transmit signals in the resonator 10 and out of this. The columns 24 act as coupling capacitors between the Ribbon lines 22 and the disk 12.

Falls beispielsweise Gold für die Scheibe 12 verwendet und auf einem Quarzsubstrat 14 im Vakuum abgelagert wird, ändert sich der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der Scheibe 12 von 14 Teilen pro Million pro Zentigrad (ppm/C ) bis zu 0,5 ppm/C . Somit können Änderungen in der Resonanzfrequenz aufgrund von Änderungen im Radius der Scheibe 12 stark herabgesetzt werden.For example, if gold is used for the disc 12 and is deposited on a quartz substrate 14 in vacuo, the coefficient of linear thermal expansion of the changes Disk 12 from 14 parts per million per centigrade (ppm / C) down to 0.5 ppm / C. Changes in the resonance frequency can be greatly reduced due to changes in the radius of the disk 12.

Die thermische Stabilität des Dielektrikums zwischen derThe thermal stability of the dielectric between the

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Scheibe 12 und der' Grundebene 20 kann ebenfalls verbessern werden, indem ein anderes Dielektrikum 18 zwischen dem Quarzsubstrat 14 und der Grundebene 20 eingesetzt wird, welches eine Dielektrizitäts-Konstante aufweist, die entweder einen geringeren thermischen Koeffizienten oder einen entgegengesetzter Polarität (beispielsweise Luft) hat. Nimmt der Wert eines thermischen Koeffizienten bei zunehmender Temperatur ebenfalls zu, so'spricht man von positiver Polarität; nimmt dieser Wert dagegen bei zunehmender Temperatur ab, so spricht man von negativer Polarität. Falls ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitäts-Konstanten mit einem positiven thermischen Koeffizienten mit einem solchen mit einem negativen thermischen Koeffizienten kombiniert wird, so kann die sich ergebende Kombination derart bemessen werden, daß sie einen thermischen Koeffizienten Null aufweist, in_dem die erforderliche Dicke jedes Dielektrikums ausgewählt wird. Das Herabsetzen des effektiven thermischen Koeffizienten des Dielektrikums kann auch erreicht werden, indem zwischen dem Substrat und einer Grundebene 20 ein Dielektrikum 18 eingesetzt wird, dessen Dielektrikum einen kleineren thermischen Koeffizienten als das Substrat 14 hat, obwohl beide Koeffizienten von der gleichen Polarität sind. Beispielsweise ist der betreffende thermische Koeffizient von Quarz +28 ppm/C und derjenige von Luft im wesentlichen Null. Durch die Verwendung einer Luftschicht mit einerDisc 12 and the 'ground plane 20 can also improve by inserting another dielectric 18 between the quartz substrate 14 and the ground plane 20, which has a dielectric constant that is either a lower thermal coefficient or a opposite polarity (e.g. air). The value of a thermal coefficient decreases as it increases Temperature also increases, so one speaks of more positive Polarity; if, on the other hand, this value decreases with increasing temperature, one speaks of negative polarity. If a dielectric with a dielectric constant with a positive thermal coefficient with a those with a negative thermal coefficient are combined, the resulting combination can be be dimensioned so that it has a thermal coefficient of zero, in_dem the required thickness each dielectric is selected. The lowering of the effective thermal coefficient of the dielectric can also be achieved by inserting a dielectric 18 between the substrate and a ground plane 20 whose dielectric has a smaller thermal coefficient than substrate 14, although both Coefficients are of the same polarity. For example, the relevant thermal coefficient is from Quartz +28 ppm / C and that of air essentially zero. By using a layer of air with a

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Dicke, welche ungefähr gleich der Dicke des Substrates 14 für das Dielektrikum 18 ist, kann der effektive thermische Koeffizient des gesamten Dielektrikums zwischen der Scheibe 12 und der Grundebene 20 auf etwa 6 ppm/C° herabgesetzt werden. Ein Resonator mit einer Frequenz von 10 GHz wurde aus den vorgenannten Materialien gebaut und wies die folgenden Abmessungen auf, welche beispielshalber wiedergegeben werden. Die Scheibe 12 ist 0,0127 mm (0,5 mil) dick, der Durchmesser beträgt 10,16 mm ™ (400 mils ); das Substrat 14 ist 0,635 mm (25 mils) dick und die Ausnehmung 17 hat eine Tiefe von 0,635 mm (25 mils) und einen Durchmesser von 15,24 mm (6OO mils). Die Spalten 24 können zwischen 0,254 mm (10 mils) und 1,524 mm (60 mils) breit sein; dies hängt von der Impedanz der Schaltung ab, mit der sie verbunden sind.Thickness, which is approximately equal to the thickness of the substrate 14 for the dielectric 18, can be the effective thermal coefficient of the entire dielectric between the disk 12 and the ground plane 20 to about 6 ppm / C ° can be reduced. A resonator with a frequency of 10 GHz was made from the aforementioned materials built and had the following dimensions, which are given by way of example. The disc 12 is 0.0127 mm (0.5 mil) thick, 10.16 mm ™ (400 mils) in diameter; the substrate 14 is 0.635 mm (25 mils) thick and recess 17 is 0.635 mm (25 mils) deep and 15.24 mm (600 mils) in diameter. The gaps 24 can be between 0.254 mm (10 mils) and 1.524 mm (60 mils) wide; this depends on the impedance the circuit to which they are connected.

Die Fig. 2, 3 und 4 erläutern andere Ausführungsformen des elektromagnetischen Resonators. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann das Dielektrikum 18 auch über der Scheibe 12 angeordnet sein, um die gewünschten Ergebnisse zu erreichen. Die Fig. 3 und 4 zeigen Dreiplatten-Anordnungen - statt Bandleitungen - mit anderen Anordnungen der Dielektrika 14 und 18, wie sie für die Bandleitungsanordmmgen in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. In Fig.2, 3 und 4 sind Wellenleitungen zum Ein- und Auskoppeln von Signalen des elektromagnetischen Resonators nicht dargestellt. Figures 2, 3 and 4 illustrate other embodiments of the electromagnetic resonator. As shown in Fig. 2, the dielectric 18 can also over the Disc 12 may be arranged to achieve the desired results. 3 and 4 show three-plate arrangements - Instead of ribbon lines - with other arrangements of the dielectrics 14 and 18, as they are for the ribbon line arrangements are shown in Figs. In Fig.2, 3 and 4 wave lines for coupling and decoupling of Signals of the electromagnetic resonator not shown.

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Fig. 5 zeigt die Verwendung eines elektromagnetischen Resonators 10 hoher Stabilität in einem Doppler-Radar mit einer Anordnung 32 mit negativem Widerstand/ beispielsweise einer "Gunn"-Diode, einer "Impatt"-Diode oder einer Tunnel-Diode, um den elektromagnetischen Resonator bei seiner Resonanzfrequenz anzuregen. Der Resonator 10 ist mit einem Richtungskoppler 34 verbunden, der wiederum mit einem Anschluß eines Zirkulators 36 verbunden ist. Der zweite Anschluß des Zirkulators 36 ist mit einer Antenne 38 und der dritte Anschluß durch den Richtungskoppler 34 mit dem Bandpaßfilter 42 verbunden. Das Bandpaßfilter 42 ist mit einem Detektor 44 verbunden, der wiederum an einen Bildschirm 46 angeschlossen ist. Die Antenne 38 strahlt ein Mikrowellensignal 48 aus. Falls das Signal 48 auf ein sich bewegendes Objekt 40 auftrifft, wird ein Teil des Signales durch das sich bewegende Objekt reflektiert und kehrt zur Antenne 38 als Signal 50 zurück. Das Signal 50 ist in der Frequenz von dem Signal 48 um einen Betrag versetzt, welcher der Geschwindigkeit des sich bewegenden Objektes 40 proportional ist (Dopplerverschiebung) und gelangt dann durch den Zirkulator 36 in den Richtungskoppler 34. Im Richtungskoppler 34 wird ein Teil des Signales vom Resonator 10 mit derselben Frequenz wie das Signal 48 mit dem durch den Dopplereffekt verschobenen Signal 50 kombiniert, und das resultierende Zweiton-Signal gelangt durch das Bandpaßfilter 42 und wirdFig. 5 shows the use of an electromagnetic resonator 10 of high stability in a Doppler radar with an arrangement 32 with negative resistance / for example a "Gunn" diode, an "Impatt" diode or a Tunnel diode to excite the electromagnetic resonator at its resonance frequency. The resonator 10 is connected to a directional coupler 34, which in turn is connected to one port of a circulator 36. The second connection of the circulator 36 is to an antenna 38 and the third connection is through the directional coupler 34 connected to the bandpass filter 42. The bandpass filter 42 is connected to a detector 44, the is in turn connected to a screen 46. The antenna 38 emits a microwave signal 48. If the signal 48 hits a moving object 40, a portion of the signal is reflected by the moving object and returns to antenna 38 as signal 50. The signal 50 is offset in frequency from the signal 48 by an amount which is the speed of the moving object 40 is proportional (Doppler shift) and then passes through the circulator 36 in the directional coupler 34. In the directional coupler 34, part of the signal from the resonator 10 is at the same frequency how the signal 48 combined with the signal 50 shifted by the Doppler effect, and the resulting Two-tone signal passes through band pass filter 42 and becomes

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ι Detektor 44 gemischt. Der Ausgang des Detektors 44 ist gleich der Frequenzdifferenz zwischen den Signalen und 50. Diese Frequenzdifferenz kann verwendet werden, um die Bildfläche 46 auszusteuern und die Geschwindigkeit des sich bewegenden Objektes 40 anzuzeigen, oder sie dient als überwachungssignal, welches die Gegenwart eines sich bewegenden Objektes anzeigt* Der elektromagnetische Resonator hoher Stabilität stellt sicher, daß die Frequenz eines Doppler-Radar-Satzes nicht in den Frequenzbereich ψ eines anderen driftet und fehlerhafte Ablesungen ergibt, und es wird ein hoher Grad an Meßgenauigkeit bezüglich der Geschwindigkeit erreicht.ι detector 44 mixed. The output of the detector 44 is equal to the frequency difference between the signals and 50. This frequency difference can be used to control the image area 46 and indicate the speed of the moving object 40, or it serves as a monitoring signal which indicates the presence of a moving object * The high stability electromagnetic resonator ensures that the frequency of one Doppler radar set does not drift into the frequency range ψ of another and give erroneous readings, and a high degree of accuracy in speed measurement is achieved.

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Claims

Hewlett-Packard Comp. 1501 Page Mill Road Palo Alto California 94304 USA Case 588 July 15, 1971 Claims

1.) Electromagnetic resonator with first and second metallic layers and a first dielectric layer connected to the first metallic layer is, characterized in that the first dielectric layer (14) has a smaller, has linear thermal expansion coefficient than the first metallic layer (12), a second dielectric Layer (18) is arranged next to one of the first and second (16) metallic layers and a thermal Has dielectric constant coefficients less than or of opposite polarity to that of the first dielectric layer is when the second dielectric layer is adjacent to the second metallic Layer lies and a thermal coefficient of dielectric constant opposite polarity to that of the first dielectric layer if the second dielectric layer next to the first metallic

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see layer lies and the first and second metallic Layers are separated by at least one of the dielectric layers.

2. Resonator according to claim 1, characterized in that the second metallic layer in addition to the second dielectric layer and the first dielectric layer are adjacent to the second dielectric layer.

3. Resonator according to claim 1, characterized in that that the second metallic layer next to the first dielectric layer and the second dielectric layer next to the first metallic layer.

4. Resonator according to claim 2, characterized in that that the first dielectric layer is made of quartz, the second dielectric layer is made of air and the first is metallic Layer off. consists of a metal disc, which is in

Vacuum is deposited on the first dielectric layer.

5. Resonator according to claim 4, characterized in that that it has a strip line device (22) for coupling signals in and out with respect to the resonator.

6. resonator according to claim 2, characterized

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net that the resonator is part of a microwave receiver (30), the resonator is connected to a device with negative resistance (32) and a directional coupler (34) the directional coupler with a circulator (36), a detector (44) with the directional coupler through a band-pass filter (42) and an output device (46) are connected to the detector.

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