DE2158514A1

DE2158514A1 - Dielektrischer Hohlraumresonator

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Publication number: DE2158514A1
Application number: DE19712158514
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Sagamihara Hoshino Norio Takano Yosuke Tokio Konishi, (Japan) P
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1970-11-26
Filing date: 1971-11-25
Publication date: 1972-06-08
Also published as: DE2158514B2; NL157751B; FR2115402B1; NL7116299A; US3798578A; DE2158514C3; FR2115402A1; JPS5038500B1; GB1376938A

Description

Nippon Hosö Kyökai, Tokyo / Japan Dielektrischer Hohlraumresonator

Die Erfindung bezieht sich auf einen zusammengesetzten, dielektrischen Hohlraumresonator für Hochfrequenz, insbes. für den Millimeterwellenbereich. Auf diesem Gebiet wird eine strenge Temperaturkonstanz der elektrischen Werte gefordert.

Zur Miniaturisierung von Rundfunkausrüstungen durch Einführung von Elementen integrierter Schaltungen im Quasimillimeterwellenbereich und zur Erzielung eines großen Q-Wertes in den Filtern wurde schon ein kleiner dielektrischer Resonator vorgeschlagen, aus einem integrierten Schaltungselement mit aufgedampftem dielektrischen Material. Ein praktischer dielektrischer Resonator konnte jedoch, vor allem mit Rücksicht auf die Temperatureigen-

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schäften, nicht realisiert werden. Die Resonanzfrequenz eines derartigen dielektrischen Resonators verschiebt sich mit der Temperaturänderung, so daß eine praktische Anwendung kaum möglich ist.

Eine Lösung wurde von M.R. Stiglitz in "Frequency Stability in Dielectric Resonator" IEEE MTT-14, No. 9 vom Sept. 1966, Seite 311 vorgeschlagen.

Bei diesem Stiglitz-Resonator liegt ein dielektrisches Resonatorelement auf einer Innenseite eines Wellen- oder Hohlleiters unter Zwischenlage eines Hochfrequenzisolators hoher thermischer Leitfähigkeit, wie etwa Bornitrid BN so daß die durch die Hochfrequenz im dielektrischen Element des Resonators, z.B. Titanoxyd TiO₂, erzeugte Wärme über die Oberfläche des Hohlleiters verteilt wird.

Durch Anwendung dieser Lehre auf einen dielektrischen Resonator läßt sich der Temperaturverlauf der Resonanzfrequenz gemäß Fig. 1 verbessern. In der Figur zeigt die Kurve I wieder den Temperaturverlauf des dielektrischen Resonators nach Stiglitz und die Kurve II den Temperaturverlauf bei einem gewöhnlichen Resonator ohne den Hochfrequenzisolator· Allerdings läßt sich im dielektrischen Resonator nach Stiglitz der Einfluß der Umgebungstemperatur nicht eliminieren.

Ein weiterer Versuch ist in einem Aufsatz von M.A. Gerdine "A Frequency Stabilized Microwave Band Rejection Filter Using Dielectric Resonators" IEEE MTT-17» No. 7, Juli 1969, beschrieben. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen dielektrischen Resonators, der zwei dielektrische Elemente 1 und 3, beispielsweise aus TiOp zeigt, die durch eine Luftschicht 5 getrennt sind. Die TiO₉-Scheiben 1 und 3 werden von Stäben 7»9 getragen, die aus einem Isoliermaterial mit großem, thermischen Expansionskoeffizienten und kleiner Dielektrizitätskonstante bestehen. Die isolierenden Stäbe 7,9 sind mittels Klemmen 15,17 an den Seitenwänden

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11,1.3 eines Hohlleiters festgemacht. Bei dieser Ausführungsform wird der Abstand zwischen den beiden dielektrischen Elementen 1,3 entsprechend der Längenänderung der sie tragenden Isolatoren 7,9 so verändert, daß mögliche Änderungen der Resonanzfrequenzeigenschaften infolge Temperatüränderung der dielektrischen Elemente kompensiert werden. Dieses Prinzip läßt sich bei der Konstruktion eines Bandsperrfilters zum Stabilisieren der Filterfrequenz gegen Temperaturschwankungen verwenden. Allerdings eignet sich das Prinzip nicht für Bandpassfilter und hat den Nachteil, daß die Frequenz durch mechanische Schwingungen leicht veränderbar ist. Außerdem bereitet es Schwierigkeiten den Feineinstellmechanismus für die Resonanzfrequenz so auszuführen, daß die Kompensation der Resonanz·^ frequenz bei Temperaturschwankungen aufrechterhalten bleibt.

Durch die Erfindung soll somit ein dielektrischer Resonator geschaffen werden der im Quasimillimeterwellenbereich verwendbar ist und bei sich verändernder Umgebungstemperatur einen stabilen Frequenzverlauf besitzt.

Der erfindungsgemäße dielektrische Resonator ist aus zwei verschiedenen dielektrischen Elementen geringer Dämpfung zusammengesetzt, mit entgegengesetzten .Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante. Die beiden Elemente sind so gekoppelt, daß sich die Kontdktflache praktisch parallel zur Vektorrichtung des hochfrequenten elektrischen Feldes erstreckt.

Die beiden dielektrischen Elemente sind vorzugsweise nach folo-'-ider Zuordnung auszuwählen. Wenn man die Dielektrizitätskonstante i'it-r beiden dielektrischen Elemente mit "£*.. bzw. mit £"_? bezeichnet u-.·. 3 die Temperaturkoeffizienten der Konstanten

mit "■"'■'

■'■ ■ ■ ^: "^ - und ■ ⁰^ ^A· . " '*■■·'..

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BAD

bezeichnet, so gilt folgende Gleichung:

3t

wobei U₁Jüie jeweilige dielektrische Region und E die Vektorkomponente des hochfrequenten elektrischen Feldes bezeichnet.

Ebenso ist die Vektorkomponente des hochfrequenten elektrischen Feldes an der konstanten Fläche der beiden Elemente so angeordnet, daß sie :zur Kontaktfläche praktisch parallel verläuft so daß der Einfluß einer Luftschicht eliminiert werden kann.

Durch die Erfindung soll ferner eine Feineinstellvorrichtung für einen derartigen zusammengesetzten, dielektrischen Resonator geschaffen werden, indem man mindestens ein einstellbares Element, wie etwa einen knapp neben dem Resonatorelement angebrachten Metallzapfen, zum Einstellen der außerhalb des dielektrischen Elementes eingefangenen, elektromagnetischen Feldenergie als Dämpfungstyp (evanescent mode) vorsieht.

Die Erfindung betrifft somit vor allem einen dielektrischen Hohlraumresonator, der gekennzeichnet ist durch mindestens zwei verschiedene, an einer Kontaktfläche zu einem Resonator zusammengefasste dielektrische Elemente mit entgegengesetzt temperaturabhängiger, relativer Dielektrizitätskonstante, wobei der Schwingungstyp im Resonator so gewählt ist, daß die elektrische Feldkomponente des Hochfrequenzfeldes parallel zur Kontaktfläche zwischen den beiden dielektrischen Elementen verläuft.

Zur ausführlicheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen. Darin zeigt:

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Fig. 1 eine graphische Darstellung der Änderung der Resonanzfrequenz zweier dielektrischer Resonatoren bei Temperaturänderung,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt des bekannten, durch Gerdine vorgeschlagenen, dielektrischen Resonators,

Fig. 3a eine perspektivische Ansicht eines würfel- oder rechteckförmigen Resonators,

Fig. 3b sowie Fig. 3c Darstellungen zur Erläuterung des Grundschwingungstyps im Resonator nach Fig, 3a, ·

Fig. 4a eine perspektivische Ansicht eines scheibenförmigen, dielektrischen Resonators,

Fig. 4b sowie Fig. 4c Darstellungen zum Grundschwingungstyp im Resonator nach Fig. 4a,

Fig. 5a eine perspektivische Ansicht eines zylinderförmigen, dielektrischen Resonators,

Fig₀ 5b, 5c, sowie 5d Darstellungen des Grundschwingungstyps im Resonator nach Fig. 5a,

Fig. 6a eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines zusammengesetzten dielektrischen Resonators gemäß der Erfindung,

Fig. 6b eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungs- ™ form eines zusammengesetzten, dielektrischen Resonators gemäß der Erfindung,

Fig. 7 sowie Fig. 8 je eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines dielektrischen Resonators gemäß der Erfindung,

Fig. 9 sowie Fig. 11 graphische Darstellungen des Zusammenhanges zwischen Temperatur und relativer Dielektrizitätskonstante des beim erfindungsgemäßen Resonator verwendeten dielektrischen Materials,

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Fig. 10 eine Darstellung zur Erläuterung des Zustandes der Kontaktfläche zwischen den beiden dielektrischen Elementen,

Fig. 12a sowie Fig. 12b Darstellungen für einen zusammengesetzten, dielektrischen Resonator,

Fig. 13 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen dielektrischen Resonators mit Darstellung der Feineinstellvorrichtung,

Fig. 14 eine weitere Ausführungsform der Feineinstellvorrichtung,

Fig. 15 einen Querschnitt durch eine praktische Ausführungsform eines zusammengesetzten, dielektrischen Resonators gemäß der Erfindung,

Fig. 16 ein äquivalentes, elektrisches Schaltschema zum Resonator nach Fig. 15,

Fig. 17 eine graphische Darstellung der Eigenschaften der Temperatureinstellung beim erfindungsgemäßen Resonator,

Fig. 18 eine graphische Darstellung des Zusammenhanges von Temperatur und Frequenzverlauf des Resonators nach Fig. 13 im Vergleich mit einem Resonator bekannter Bauart,

Fig. 19 den Temperatur-Frequenzverlauf des Resonators nach Fig. 15,

Fig. 20 einen Querschnitt eines mit einem Resonator gemäß der Erfindung ausgestatteten Hohlleiters,

Fig. 21 einen Querschnitt eines Bandpassfilters unter Verwendung eines dielektrischen Resonators gemäß der Erfindung und

Fig. 22 einen Grundriß des Bandpassfilters nach Fig. 21.

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Vor der detaillierten Erläuterung des erfindungsgemäßen Resonators soll zunächst auf die verschiedenen Grundschwingungstypen in dielektrischen Resonatoren verschiedener Form eingegangen werden.

Für das Element eines dielektrischen Resonators kommen drei Grundformen in Frage. Dies sind gemäß den Fig. 3a, 4a und 5a die Rechteck- oder Würfelform, die Scheibenform und die Zylinder form. Der Grundschwingungstyp in einem rechteckigen Resonator nach Fig. 3a ist der Dipoltyp gemäß schematischer Darstellung in den Fig. 3b oder 3c. Der Grundschwingungstyp in einem Scheibenresonator gemäß Fig. 4a ist der Typ TEq₁ gemäß den Fig. 4b und 4c, wobei das hochfrequente elektrische Feld E parallel zu den Scheibenoberflächen verläuft. Der Grundschwingungstyp in einem zylindrischen Resonator gemäß Fig. 5a ist der Typ EH gemäß den Fig. 5b, 5c, 5d. Bei diesem Schwingungstyp besitzt ein hochfrequentes, magnetisches Feld H einen magnetischen Dipol in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Achse des Zylinders. Ein hochfrequentes, elektrisches Feld E verläuft praktisch parallel zur Richtung der Achse.

Die Fig# 6a und 6b zeigen schematisch zwei Grundprinzipien des erfindungsgemäßen, dielektrischen Resonators. Der zusammengesetzte dielektrische Resonator nach Fig. 6a besteht aus zwei übereinander angeordneten dielektrischen Platten 21 und 23. Die Dielektrizitätskonstante c ₁ der Platte 21 und fc. ₂ der Platte 23 besitzen entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten. Um dies zu erreichen sind die beiden Platten beispielsweise aus TiO₂ bzw. aus LiNbO₃ hergestellt. Der zusammengesetzte, dielektrische Resonator nach Fig. 6b besteht ebenfalls aus zwei übereinander angeordneten, dielektrischen Platten 25,27, deren Dielektrizitätskonstanten £ und fc _o entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten aufweisen.

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Ebenso wie bei den Grundschwingungstypen gemäß Fig. 3b,3c, 4b und 4c verläuft ein elektrisches Feld E im Schwingungstyp nach den Ausführungsformen gemäß den Fig. 6a und 6b parallel zur flachen Kontaktebene zwischen den beiden Elementen, sowohl beim rechteckigen als auch beim scheibenförmigen Resonator.

In Fig. 9 sind die relativen Dielektrizitätskonstanten £ ι und£,·/ von £ für TiOo in· Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen. Die Kurve £// gibt die Abweichung der relativen Dielektrizitätskonstante in einer Richtung parallel zur optischen Achse des dielektrischen Materials und6.j_ in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse an.

Fig. 11 zeigt eine entsprechende Darstellung für die relative Dielektrizitätskonstante £p von LiNbOo· Wie die Zeichnung zeigt besitzen £ und £.„ entgegengesetzt gerichtete Temperaturkoeffizienten.

Der Scheibenresonator nach Fig. 4a kann beim zusammengesetzten, dielektrischen Resonator gemäß der Erfindung auch in abgewandelter Form verwendet werden. In der Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist beispielsweise ein kreisförmiges Loch in die Mitte einer dielektrischen Scheibe 29 mit der relativen Dielektrizitätskonstante £ρ gebohrt, so daß sieh eine innere Scheibe 31 mit der relativen Dielektrizitätskonstante έ einsetzen läßt, deren Temperaturkoeffizient demjenigen von £₂ entgegengesetzt ist. Gemäß Fig. 2 empfiehlt es sich, da die elektrische Feldkomponente gegen die Mitte der Scheibe 31 zu schwächer wird, die Dielektrizitätskonstante £.. der eingesetzten, inneren Scheibe 31 größer zu wählen als die Dielektrizitätskonstante 6* der äußeren Scheibe 29.

209824/069Λ

Bei Anwendung des Prinzips des zylindrischen Resonators nacL-h Fig. 5a erscheint das elektrische Feld E praktisch parallel zur Zylinderachse. Ein zusammengesetzter, dielektrischer Resonator gemäß der Erfindung kann deshalb aus einem Hohlzylinder 33 mit der Dielektrizitätskonstante £ ₂ und einem umgekehrten, dielektrischen Stab 35 mit der Dielektrizitätskonstante £. hergestellt werden (Fig. 8). Der Stab 35 sitzt im Hohlraum des Zylinders 33. Die Temperaturkoeffizienten der beiden Dielektrizitätskonstanten £₂ und £ sind wieder entgegengesetzt gewählt.

Die Verwendung des zusammengesetzten Resonators nach dem Prinzip von Fig. 8 ist auf den Grundschwingungstyp und auf den Typ EH₁₁ '% begrenzt, in dem das elektrische Feld praktisch .parallel zur Zylinderachse verläuft.

Wird neben diesem fundamentalen Typ ein höherer Schwingungstyp HE₁₁ erzeugt, so liegt die elektrische Feldkomponente des höheren Schwingungstyps HE₁ praktisch parallel zu .einer Ebene senkrecht zur Achsrichtung. Ein elektrischer Feldvektor des höheren Typs besitzt eine radiale Komponente E in radialer Richtung der Zylinder 33 und 35. Wenn somit die Kontaktfläche der beiden dielektrischen Elemente in der Achsrichtung der Anordnung nach Fig. 8 verläuft, so erstreckt sich der elektrische Vektor in der Nähe der Kontaktfläche gemäß Fig. 10 senkrecht zu dieser. A Für diesen Schwingungstyp ist die Ausführungsform nach Fig. 8 nicht geeignet.

Da in diesem Fall die elektrische Feldkomponente E höherer Frequenz die Kontaktfläche senkrecht schneidet muß die Kontaktflache, der beiden dielektrischen Elemente aus folgendem Grunde eine optische Kontaktebene sein.

Wenn man beispielsweise annimmt, daß infolge eines losen mechanischen Kontaktes zwischen den dielektrischen Elementen

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und 41 gemäß Fig. 10 eine Luftschicht 37 vorhanden ist, so wirkt auf diese ein starkes elektrisches Feld. Bei einer relativen Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Elementes von fc und einem elektrischen Feld E im Element ist die elektrische Feldstärke in der Luftschicht 37 gleich £ E. Dadurch ist die elektrische Energiedichte in der Luftschicht 37 fc. mal größer als diejenige im dielektrischen Element. Wenn somit der Einfluß der elektrischen Energie in der Luftschicht 37 mit der Stärke t auf die Abweichung der Resonanzfrequenz begrenzt werden soll unter eine in der Form ρ χ 10~^x gegebene Frequenzabweichung, ist der Zusammenhang zwischen dem Durchmesser D des dielektrischen Elementes und der Stärke t der Luftschicht 37 durch die

a.

folgende Bedingung auszudrücken: ·

f _ PD X 10~^X (n)

Wenn die relative Lage zwischen den beiden diefektrischen Elementen zur gewünschten Frequenzkompenaation bei der Temperaturänderung oder aus einem Grunde einer Säkularabweichung geändert wird, kann die Stärke t der Kontaktebene nicht immer ein konstanter Wert sein, so daß eine gewisse Abweichung At

eintritt. In diesem Fall ist es wünschenswert die von der Abweichung At^ verursachte Frequenzabweichung kleiner zu machen als den von der Temperaturänderung verursachten Einfluß. Zur Begrenzung der Frequenzänderung in einem gewünschten Betrag P χ 10""^x bei einem bestimmten Bereich der Temperaturänderung muß diese Abweichung der Stärke 4t in dem durch die Gleichung (2) gehaltenen Ausmaß gehalten werden. Bei Verwendung von TiO₂ mit einer Kennlinie gemäß Fig. 9 als dielektrisches Element beträgt die relative Dielektrizitätskonstante £ ca. 70 bis 100. Der Durchmesser D der dielektrischem Scheibe liegt für das Quasimillimeterwellen-Frequenzband in der Größenordnung von ca. 5 mm.

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Soll die Frequenzabweichung infolge Temperaturänderung durch die Kompensation auf eine Größenordnung von 10 begrenzt werden, so muß der Betrag At^ sein: dt., = 0,0005 m, aus

a a

obiger Gleichung (2) abgeleitet. Obige Erläuterung bezieht sich auf die Einstellung der Frequenzkompensation für Temperatur. Das Prinzip ist jedoch auch bei der Einstellung der Resonanzfrequenz anwendbar« Soll bei dieser Anwendung ein Feineinstellbereich der Frequenz innerhalb von ρ χ 1Ο"^Χ erreicht werden, so muß der Betrag von dt_a auf den durch den Ausdruck (2) bestimmten Wert begrenzt werden. Zu beachten ist, daß die Stärke t der Luftschicht 37 in Fig. 10 kleiner sein muß als 0,005 Mikron, im Fall der Anwendung der Anordnung nach Fig. 8 auf den Typ HE. . Mit Rücksicht auf die Bearbeitungsgenauigkeit .ist es jedoch nahezu unmöglich eine derartige Luftschicht von 0,005 Mikron, d.h. eine optische Kontaktfläche, zu erreichen.

Beim Schwingungstyp HE₁ in der Ausführungsform gemäß Fig. 6b ist die elektrische Feldkomponente E immer parallel zur Kontaktflache zwischen den beiden Elementen. Wenn deshalb die Kontaktfläche der beiden dielektrischen Elemente gemäß Fig. 6b angeordnet und parallel zur Richtung des elektrischen Feldes verläuft, kann die Stärke t der Luftschicht 37 auf das £ -fache vergrößert werden, d.h. bis zur Größenordnung von 0,5 Mikron. Diese Bearbeitungsgenauigkeit ist 100 mal geringer und in der Regel ohne Schwierigkeiten erzielbar.

Zur noch besseren Frequenzkompensation des dielektrischen Resonators gegen Temperatüränderungen ist die dielektrische Scheibe so ausgebildet, daß eine optische Achse in einer Fläche der Scheibe 25 oder 27 nach Fig. 6b liegt. Im allgemeinen besitzt ein dielektrisches Element in verschiedener Richtung unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten, d.h. einen Wert ε_/λ in Richtung der· optischen Achse und einen Wert £., in Richtung der Fläche senkrecht zum Achsenunterschied voneinander. Für den Fall von TiO₂ und LiNbO,, beispielsweise erhält man den

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- 12 Temp er aturver lauf nach Fig, 9 und..ii indem allgemein gilt

A> V

Wenn somit im Fall der Verwendung des Schwingungstyps HE₁₁ die Achsen der beiden dielektrischen Scheiben 43 und 45, die aus LiNbOo bzw, TiOp bestehen, zueinander parallel sind, so besitzt das elektrische Feld in der Richtung parallel zu den Scheibenachsen eine größere Komponente als in der Richtung senkrecht zu den Achsen, Bei Anordnung der beiden dielektrischen Scheiben 43 und 45 derart, daß sich ihre Achsen rechtwinklig kreuzen ist das elektrische Feld in der Nähe der Kontaktfläche eher angeschlossen an eine Richtung senkrecht zur Achse des dielektrischen Elements mit größerent_j_ , d.h. es ist mehr zur Achse des Elementes mit kleineren tj_ gerichtet. Deshalb ist eine äquivalente Dielektrizitätskonstante annähernd gleich ε^ in dem Element, hergestellt aus dielektrischem Material von kleineren Lj_ , Infolgedessen wird die elektrische Energiekomponente in diesem Element mit kleinerem £ größer. Aus dem oben erwähnten Grund kann die Verteilung der elektrischen Energie in den beiden dielektrischen Scheiben 43 und 35 durch Verändern des Schnittwinkels der beiden Achsen der dielektrischen Scheiben variiert werden, so daß eine Frequenzkompensation gegen Temperaturänderungen dadurch erfolgen kann, daß man den Winkel der beiden Achsen so einstellt, daß er der Gleichung (l) genügt. Da jedoch in diesem Fall die Resonanzfrequenz durch obige Einstellung verändert wird muß eine getrennte Maßnahme zur Feineinstellung der Resonanzfrequenz vorgesehen werden. Beispielsweise sind in einem zusammengesetzten, dielektrischen Resonator gemäß der Erfindung (Fig. 13) dielektrische Scheiben' 47 und 49 auf eine Erdungsplatte 51 montiert, über ein tragendes Bett 53 aus Isoliermaterial mit kleiner Dielektrizitätskonstante, in dessen Mitte ein Hohlraum 55 vovgesehen ist. Ein Bauteil 56 zum Verändern der Resonanzfrequenz, etwa eine Schraube aus Metall oder einer dielektrischen Substanz, ist so einstellbar, dass sich die Resonanzfrequenz durch Variieren der Länge des Teiles der Schraube 56, die in den

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- 13 Hohlraum 55 ragt, fein abstimmen läßt.

Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung. Ein zusammengesetzter dielektrischer Resonator umfaßt eine TiOp-Scheibe 57» eine LiNbOo-Scheibe 59 und eine dünne Scheibe 61 aus einem der dielektrischen Materialien TiO₉ und LiNbO„. Diese dritte Scheibe 61 sitzt auf den übereinander angeordneten Scheiben 57 und 59. Durch Drehen der Scheibe 61 um die Achse läßt sich die Resonanzfrequenz fein regulieren. Für die ■.Ausführungsform sei angenommen, daß die optischen Achsen der Scheiben 57,59 und 61 in der entsprechenden Scheibenebene senkrecht zu den Scheibenachsen liegen. Die Richtung des elektrischen Feldes in der dünnen Scheibe 61 hängt hauptsächlich von den Achsen der beiden dicken Scheiben 57 und 59 ab» Da im Fall der Verwendung des Typs HE₁₁ die Richtung des elektrischen Feldes im Abschnitt parallel zur Achse der Scheiben 57 und kaum von der Achse der dünnen Scheibe 61 beeinflußt wird, wenn die Achse der dünnen Scheibe 61 mit der Achse der dickeren Scheibe 59 darunter zusammenfällt, ist die äquivalente Dielektrizitätskonstante der dünnen Scheibe 61 beinahe fe j_ , während, wenn die Achse dieser Scheibe 61 senkrecht zur Achse der Scheibe 59 ist, die äquivalente Dielektrizitätskonstante in der Scheibe 61 beinahe gleich E. // ist. Infolgedessen erreicht bei Verwendung eines dielektrischen Materials gemäß der Bedingung ξ. > c als dielektrisches Material der dickeren Scheibe 59 die Resonanzfrequenz einen Minimalwert, wenn die Achse der dünneren Scheibe 61 mit derjenigen der dickeren Scheibe 59 zusammenfällt. Die Resonanzfrequenz erreicht ein Maximum, wenn die beiden Achsen zueinander senkrecht sind. Das bedeutet, daß die Resonanzfrequenz durch Drehen der dünneren Scheibe 61 um die Achse fein einstellbar ist.

Bei der Erfindung kann somit, wie oben beschrieben, eine durch Temperaturänderung verursachte Änderung der Resonanzfrequenz

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durch Kombination zweier verschiedener dielektrischer Materialien beseitigt werden. Die Dielektrizitätskonstanten dieser beiden Materialien müssen entgegengesetzt gerichtet sein, so daß man einen zusammengesetzten, dielektrischen Resonator äußerst stabiler Resonanzfrequenz erhält. Da außerdem ein dielektrischer Resonator gemäß der Erfindung so angeordnet ist, daß das hochfrequente elektrische Feld die Luftschicht im Kontaktabschnitt der beiden dielektrischen Elemente nicht durchdringt, wird die Resonanzfrequenz durch Veränderung dieser Luftschicht nicht verschoben, selbst wenn sich der Zustand dieser Luftschicht im Verlaufe der Zeit oder durch mechanische Schwingungen verändert. Ferner erzielt man den bemerkenswerten Effekt, daß die Frequenzkompensation gegen Temperatur und die Feineinstellung der Frequenz leicht realisierbar ist durch Verändern der relativen Lage der beiden dielektrischen Elemente in ihrer Kontaktebene.

Bei einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators ist eine weitere Feineinstellvorrichtung vorgesehen zur Einstellung der Kompensation der Frequenzabweichung infolge Temperaturänderung. Die Grundform des oben erläuterten Resonators besitzt eine Kontaktfläche zwischen zwei dielektrischen Elementen als Basis. Außerhalb des Resonators oder genauer außerhalb der beiden anderen Flächen des zusammengesetzten dielektrischen Resonators, wird ein Schwingungstyp erzeugt, der als Dämpfungstyp (evanescent mode) bezeichnet wird. Betrachtet man im Bereich dieses Dämpfungstyps beispielsweise den Typ TE_Q , so ist die magnetische Energie erheblich stärker als die elektrische Energie des Schwingungstyps. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis dieser Tatsache.

Gemäß der Erfindung ist mindestens ein einstellbares Metallelement im Dämpfungstypbereich außerhalb des Resonators zum Einstellen des Intervalls zwischen dem Metallelement und der Resonatorfläche vorgesehen, so daß die magnetische Energie in

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einem dielektrischen Element eingestellt wird zum Steuern ihrer Verteilungsrate für die Resonanzschwingung des Resonators und eine Feineinstellung der Frequenzabweichung infolge Temperaturänderung erreicht wird.

In den obigen Ausführungsformen der Erfindung können Frequenzabweichungen bis zu einigen MHz im 10-GKz-Band bei einer Temperaturänderung von -20° G bis +80 C kompensiert werden. Lediglich durch Anwendung des Grundprinzips der erfindungsgemäßen Ausführungsform war dagegen die feinere Kompensation der Frequenzabweichung schwierig, d.h. in einer Größenordnung von weniger als 1 MHz.

Fig. 15 zeigt eine bevorzugte, insbes. praktische Ausführungsform der Erfindung, in der eine bandförmige Übertragungsleitung 71 zwischen äußeren Abschirmplatten 73 und 75 unter Zwischenlage von Stützen 77 und 79 aus Isoliermaterial mit kleiner Dielektrizitätskonstante, wie etwa "Teflon" (Warenzeichen), angeordnet ist. Ein zusammengesetzter dielektrischer Resonator gemäß dem Prinzip der Erfindung, mit flachen scheiben- oder rechteckförmigen dielektrischen Elementen 81 und 83 ist neben der Streifenleitung 71 angeordnet und in einem Bett 85 mit einem Hohlraum 85a getragen. In die Abschirmplatten 73 und 75 sind gegenüber dem dielektrischen Resonator mit den Elementen 81 und 83 Sacklöcher 87 und 89 gebohrt. In die Sacklöcher 87 und 89 sind Gewindezapfen 91 und 93 aus Metall geschraubt, so daß sich der Abstand zwischen der Oberseite der Zapfen 91 und 93 und den entsprechenden dielektrischen Elementen 81 und 83 durch Bewegen der Metallzapfeii 91 und 93 in Richtung der Pfeile in der Zeichnung verändern läßt. Die Stärke des Bodens des Hohlraums 85a, der von dem tragenden Bett 85 begrenzt wird, muß zum Abstützen der dielektrischen Elemente 81 und 83 ausreichend stark sein und außerdem so angeordnet sein, daß die Schraubbewegung des Metallzapfens 93 nicht behindert wird.

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Fig, 16 zeigt eine äquivalente elektrische Schaltung der Ausführungsform nach Fig. 15· Eine Oberseitenimpedanz Z „ , vom dielektrischen Element 81 aus gesehen, mit der charakteristischen Impedanz Z₁ für die Oberseite, d.h. die Luftseite, ist im Fall des Schwingungstyps TE_Q induktiv. Die induktive Komponente der Impedanz Z_„ wird kleiner, wenn der Zapfen 91 näher an das dielektrische Element 81 bewegt wird, Infolgedessen nimmt die Impedanz Z „ , gesehen vom dielektrischen

a ι

Element 81 in dem oberen Dämpfungsbereich, kleinere Werte an und die magnetische Energie in diesem dielektrischen Element 81 wird somit größer. Der gleiche Einfluß wirkt auf die Unterseitenimpedanz Z_a2, gesehen vom dielektrischen Element 83 aus, mit der charakteristischen Impedanz Z- in die Unterseite, d»h, die Luftseite.

Andererseits steht die Stärke E^ des elektrischen Fefies in ümf ängsrichtung im dielektrischen Element immer in einem bestimmten Verhältnis zur Stärke H des Magnetfeldes in axialer Richtung im dielektrischen Element. Wenn die elektrische Feldstärke E^ im Resonator infolge einer Zunahme des Magnetfeldes in diesem abnimmt, so konzentriert sich die elektrische Feldenergie in den beiden dielektrischen Elementen, abgesehen von den Metallzapfen 91 und 93.

Wenn die Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen Materialien bei einem Temperaturanstieg größer und kleiner werden, beispielsweise bei Verwendung von TiO und LiNbOo für die dielektrischen Elemente 81 und 83 nimmt die magnetische Energie im dielektrischen Element 81, d.h. im TiCU zu und die elektrische Energie in diesem Element 8i nimmt ab, wenn der Metallzapfen 91 gegen das dielektrische Element 81 bewegt wird. Dies ist dem Fall äquivalent., in dem angenommen wird, daß die Dichte des dielektrischen Elementes 81 aus TiO₂ kleiner wird.

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Infolgedessen nimmt der Beitrag des dielektrischen Elementes 81 zur Resonanzfrequenz ab und die durch den Temperaturanstieg des Resonators verursachte Frequenzänderung bewegt sich auf eine kleinere Frequenz zu, wenn die Temperatur ansteigt. Der Temperaturgradient der Resonanzfrequenz ist bei dieser Einstellung nämlich negativ. Wenn· umgekehrt der Metallzapfen 93 gegen das dielektrische Element 83 bewegt wird wird die magnetische Energie im Element 83 größer und der Beitrag dieses Elements zur Resonanzfrequenz nimmt ab, so daß bei Verwendung von LiNbOo mit einer relativen Dielektrizitätskonstante, die mit dem Temperaturanstieg zunimmt, als dielektrisches Element 83, wie im Fall dieser Ausführungsform, die Frequenzabweichung infolge des Temperaturanstiegs des Resonators sich nach höherer Frequenz bewegt. Der Temperaturgradient der Resonanzfrequenz ist bei dieser Einstellung deshalb positiv.

Je nachdem ob der Zapfen 91 gegen das dielektrische Element oder der Zapfen 93 gegen das dielektrische Element 83 bewegt wird läßt sich somit der Temperaturgradient der Resonanzfrequenz des zusammengesetzten, dielektrischen Resonators entweder im negativen oder positiven Sinne einstellen.

Damit die Resonanzfrequenz bei einer gewissen Temperatur konstant bleibt, sollte der Zapfen 93 vom dielektrischen Element weg bewegt werden, wenn der Zapfen 91 gegen das dielektrische Element 81 bewegt wird und umgekehrt. Die vorherige Einstellung macht den Temperaturgradienten der Resonanzfrequenz negativ und die letztere Einstellung macht ihn positiv.

Fig. 17 zeigt Kurven für verschiedene Distanzkombinationen zwischen Zapfen und zugehörigem dielektrischen Element, wenn die Resonanzfrequenz konstant eingestellt wird. Der Abstand h zwischen dem dielektrischen Element 81 und dem Zapfen 91 und der Abstand h₂ zwischen dem dielektrischen Element 83 und dem Zapfen

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93 läßt sich durch ein Verhältnis mit einem Durchmesser 2a der dielektrischen Elemente 81 und 83 ausdrücken. In Fig. 17 sind auf Abszisse und Ordinate die Werte ^/2a bzw. h„/2a aufgetragen. Die Kurven beziehen sich auf konstante Frequenz bei verschiedenen Kombinationen dieser Werte. Der in jeder Kurve gezeigte Parameter Xo wird in dieser Fig. erhalten durch Multiplikation der Ausbreitungskonstante im freien Raum um den Radius a des dielektrischen Elementes. Ein Punkt P des Temperaturgradienten bei der Resonanzfrequenz O erhält man durch Verbinden der Mittelpunkte der Kurven. Der Temperaturgradient der Resonanzfrequenz nimmt negative Werte an, wenn die Abstände h /2aund h^/2a in einem Bereich über dem Punkt P, als "negativ" bezeichnet, liegen, und der Gradient nimmt positive Werte an, wenn beide Werte in einem Bereich unter dem Punkt P, als "positiv" bezeichnet, liegen.

Gemäß vorliegender Erfindung wird der Abstand zwischen dem Metallzapfen und dem dielektrischen Element wie oben beschrieben so eingestellt, daß die Abweichung der Resonanzfrequenz infolge der Temperaturänderung durch die Veränderung des Temperaturverlaufs der dielektrischen Elemente kompensiert wird.

Das experimentelle Resultat der erfindungsgemäßen Kompensation wird nun mit dem bekannten, dielektrischen Resonator verglichen. Fig. 18 zeigt das Resultat. Eine gestrichelte Kurve I zeigt den Temperaturverlauf eines bekannten dielektrischen Resonators lediglich mit TiOp, also einen einfachen Resonator, während die ausgezogene Kurve II einen zusammengesetzten dielektrischen Resonator gemäß Fig. 13 der Erfindung zeigt. Der Vergleich der Kurven I und II läßt deutlich erkennen, daß die Verschiebung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen beim zusammengesetzten dielektrischen Resonator erheblich kleiner ist als beim einfachen dielektrischen Resonator. Man erkennt ferner, daß bei Verwendung des zusammengesetzten, dielektrischen Resonators nach Fig. 15 die Verschiebung der

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Resonanzfrequenz auf 200 KHz im Temperaturbereich von -20° C bis +80° C in einem Frequenzband von 10 GHz begrenzt.ist, wenn die beiden Metallzapfen 91 und 93 entsprechend eingestellt werden» Der Temperaturverlauf dieser Ausführungsform ist in Fig. 19 gezeigt.

Fig. 20 zeigt als Ausführungsbeispiel die Anwendung der Erfindung in einem Hohlleiter. Ein zusammengesetzter, dielektrischer Resonator besteht aus zwei dielektrischen Elementen 101 und 103 mit flacher zylindrischer oder rechteckiger Form und der Achse senkrecht zur Seitenfläche (Flächen E) 105 und 107 des Hohlleiters. Der von den beiden Elementen 103 und 101 gebildete Resonator ist am Boden (Fläche H) 109 des Hohlleiters abgestützt, über eine Basis 111 aus Keramik, etwa Isoliermaterial mit kleiner relativer Dielektrizitätskonstante. In Positionen, in denen sich die Achsen der dielektrischen Elemente 101 und 103 mit den E-Flächen 105 und 107 kreuzen sind die Zapfen 113 und 115 einstellbar angeordnet zur Veränderung des Abstandes zwischen den dielektrischen Elementen 101 und 103 bzw. den Zapfen 113 und 115.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf Bandsperrfilter· Zur Schaffung eines Bandpassfilters unter Verwendung einer Streifenübertragungsleitung kann ein zusammengesetzter, dielektrischer Resonator gemäß der Erfindung gemäß Fig. 21 und 22 angeordnet werden. Gemäß Fig. 21 und 22 umfaßt ein zusammengesetzter dielektrischer Resonator zwei dielektrische. Elemente 1 21 und 123, angeordnet in einem Kopplungsbereich zweier Streifenleitungen 125 und 127, Diese ist an den Enden kurzgeschlossen, zwischen zwei Abschirmplatten 129 und 131 angeordnet, mittels eines tragenden Bettes 133 aus Isoliermaterial mit kleiner Dielektrizitätskonstante· Dieses tragende Bett 133,ist mit einem Hohlraum 135 mit einer dünnen Trennwand 137 zwischen

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dem dielektrischen Element 123 und dem Hohlraum 135 versehen. Die Abschirmplatten 1 29 und 1 31 sind gegenüber den dielektrischen Elementen 1 21 bzw. 123 mit Gewindelöchern 139 bzw. 141 versehen. In die Gewindelöcher 139 und 141 sind Gewindezapfen 143 bzw. 145 aus Metall geschraubt, so daß diese Zapfen 143 und 145 in die Abschirmplatten 129 und 1 31 in Richtung auf die dielektrischen Elemente 121 und 123 eingeschraubt sind.

Zur Herstellung eines Bandpassfilters mit einem Hohlleiter wird ein zusammengesetzter, dielektrischer Resonator nach Fig. 20 in einem abgeschnittenen Hohlleiter angeordnet, an den Ein- und Ausgangskreise angeschlossen werden.

Entsprechend der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine Feineinstellung der Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz auch erreicht werden durch Veränderung des Abstandes zwischen den Metallzapfen und den dielektrischen Elementen, was eine sehr einfache Einstellmöglichkeit ergibt. Bei Anwendung des Typs TE_n auf den zusammengesetzten, dielektrischen Resonator gemäß der Erfindung fließt ein induzierter Strom auf der Abschirmplatte in Kreisrichtung des Metallzapfens, so daß kein Leitungsverlust durch die Einstellbewegung des Metallzapfens eintritt. Die Feineinstellung der Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz kann deshalb ohne Verringerung des Q-Wertes erfolgen.

Die Erfindung bietet darüber hinaus den Vorteil der Einstellung des Temperaturgradienten der Resonanzfrequenz ebenso wie auch der Resonanzfrequenz selbst. Das bedeutet, daß der Temperaturgradient bei gegebener Frequenz auf 0 einstellbar ist.

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Claims

_Zi

Patentansprüche

Π V Dielektrischer Hohlraumresonator, gekennzeichnet durch mindestens zwei verschiedene, an einer Kontaktfläche zu einem Resonator zusammengefasste dielektrische Elemente mit entgegengesetzt temperaturabhängiger, relativer Dielektrizitätskonstante, wobei der Schwingungstyp im Resonator so gewählt ist, daß die elektrische Feldkomponente des Hochfrequenzfeldes parallel zur Kontaktfläche zwischen den beiden dielektrischen Elementen verläuft.
2. Resonator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die bei»

stehen.

die beiden dielektrischen Elemente aus TiO₂ und LiNbCL be-
3. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Elemente aus übereinander angeordneten, rechteckigen Elementen bestehen.
4. Resonator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Elemente aus übereinander angeordneten, flachen scheibenförmigen Elementen bestehen.
5. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Elemente aus zwei konzentrischen, scheibenförmigen Platten bestehen.
6. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die dielektrischen Elemente aus zwei koaxialen Zylinderelementen hergestellt sind. .
7. Resonator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Metallzapfen dicht gegenüber einer Außenfläche

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des Resonators angeordnet ist, so daß der Abstand zwischen dem Metallzapfen und der Resonatorfläche zur Steuerung der magnetischen Feldkomponente in den dielektrischen. Elementen einstellbar ist.
8. Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als dielektrische Werkstoffe TiOp und LiNbOo gewählt sind.
9. Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der magnetischen Feldkomponente in den dielektrischen Elementen zwei Metallzapfen gegenüber den ' Resonatorflächen einstellbar angeordnet sind.
10. Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallzapfen in zwei Abschirmplatten geschraubt und einstellbar sind, die die äußere Zelle des Resonators darstellen.
11» Resonator nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch die Befestigung auf einer Abstützung die einen Teil eines Hohlraumes bildet, angebracht auf einer Abschirmplatte eines Teiles der Außenwand des Resonators und durch zwei Metallzapfen einstellbar zur Bewegung in axialer Richtung an der Abschirmplatte und einer demgegenüber so angeordneten weiteren Abschirmplatte, daß der Abstand zwischen den Oberflächen der Metallzapfen und den Resonatorflächen einstellbar ist.
12. Resonator nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch zwei parallele Abschirmplatten mit je einem eingeschraubten Metallzapfen, die gegen die Resonatoraußenflächen axial bewegbar sind, und durch eine zwischen den beiden Abschirmplatten unter Zwischenlage von Abstützelementen aus Isoliermaterial kleiner Dielektrizitätskonstante angeordnete Streifenleitungs-Übertragungsschaltungo

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