DE2158514B2 - Dielektrischer hohlraumresonator - Google Patents

Description

uhren, daß die Kompensation der Resonanzfrequenz Dei 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 Kontaktfläche praktisch parallel zur Vektorrichtung de? hochfrequenten elektrischen Feldes erstreckt.

Die beiden dielektrischen Elemente sind vorzugsweise nach folgender Zuordnung auszuwählen. Wenn man die Dielektrizitätskonstante der beiden dielektrischen Elemente mit ^ bzw. mit Έ7 bezeichnet und die Temperaturkoeffizienten der konstanten mit

und

3 ε., 3/

bezeichnet, so gilt folgende Gleichung:

3/

EdT_x --- -Jr, E*-^f EdT₂...

(D

wobei T₁, T₂ die 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 Mctallzapfen, zum Einstellen der außerhalb des dielektrischen Elementes eingefangenen, elektromagnetischen Feliienergie als Dämpfungstyp (evanescent mode) vorsieht.

Die Erfindung betrifft somit vor allem einen diclektiischen 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 Feldkomponenu. des Hochfrequenzfeldes parallel zur Kontaktfläche zwischen den beiden dielektrischen Elementen verläuft.

Zur ausführlicheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen. Darin zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Änderung der Resonanzfrequenz zweier dielektrischer Resonatoren bei Temppraturänderung,

F i g. 2 einen schematischen Querschnitt des bekannten, durch G e r Λ i η e vorgeschlagenen, dielektrischen Res ,lators,

F ig. 3 a eine perspektivische Ansicht eines würfel- oder rechtcckförmigen Resonators, Fig. 3b sowie F i g. 3c Darstellungen zur Erläuterung des Grundschwingungstyps im Resonator nach F i g. 3 a,

F i g. 4a eine perspektivische Ansicht eines scheibenförmigen, dielektrischen Resonators,
F i g. 4b sowie F i g. 4c Darstellungen zum Grundschwingungstyp im Resonator nach F i g. 4a,

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

Fig. 5b, 5c sowie 5d Darstellungen des Grund-Schwingungstyps im Resonator nach Fig. 5 a,

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

F I g. 6 b eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsfonn eines zusammengesetzten, dielektrischen Resonators gemäß der Erfindung,

F i g. 7 sowie F i g. 8 je eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausfül- ungsform eines dielektnschen Resonators gemäß der Erfindung.
F i g. 9 sowie F i g. 11 graphische Darstellungen des Zusammenhangs zwischen Temperatur und relativer Dielektrizitätskonstante des beim erfindungsg .mäßen Resonator verwendeten dielektrischen Materials,

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,

F i g. 14 eine weitere Ausführungsform der Feineinstellvorrichiung,

Fig. 15 einen Querschnitt durch eine praktische Ausfühnmgsform eines zusammengesetzten, dielektrischen Resonators gemäß der Einndung,

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

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

F i g. 18 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs von Temperatur und Frequenzverlauf des Resonators nach F i g. 13 im Vergleich mit einem Resonator bekannter Bauart,

F i z- ¹-9 den Temperatur-Frequenzverlauf des Resonators nach Fig. 15,

F i g. 20 einen Querschnitt eines mit einem Resona nator gemäß der Erfindung ausgestatteten Hohlleiters, F i g. 21 einen Querschnitt eines Bandpaßfilters unter Verwendung eines dielektrischen Resonators gemäß der Erfindung und

F i g. 22 einen Grundriß des Bandpaßfilters nach Fig. 21.

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 F i g. 3a, 4a und 5a die Rechteck- oder Würfelform, die Scheibenform und die Zylinderform. Der Grundschwingungstyp in einem rechteckigen Resonator nach F i g. 3 a ist der Dipoltyp gemäß schcmatischer Darstellung in den Fig. 3b oder 3c. Der Grundschwingungstyp in einem Scheibenresonator gemäß F i g. 4a ist der Typ TE₀₁ gemäß der F i g. 4 b und

5 6

4c, wobei das hochfrequente elektrische Feld E Die Verwendung des zusammengesetzten Rcsona-

parallel zu den Scheibenoberflächen verläuft. Der tors nach dem Prinzip von F i g. 8 ist auf den Grund-

Grundschwingungslyp in einem zylindrischen Re- schwingungstyp und auf den Typ EH_n begrenzt, in

sonator gemäß F i g. 5a ist der Typ EH_n gemäß den dem das elektrische Feld praktisch parallel zur

Fig. 5b, 5c, 5d. Bei diesem Schwingungstyp besitzt 5 Zylinderachse verläuft.

ein hochfrequentes, magnetisches Feld //einen magne- Wird neben diesem fundamentalen Typ ein höherer

tischen Dipol in einer Ebene senkrecht zur Richtung Schwingungstyp HE_n erzeugt, so liegt die elektrische

der Achse des Zylinders. Ein hochfrequentes, elektri- Feldkomponente des höheren Schwingungsiyps HE_n

sches Feld E verläuft praktisch parallel zur Richtung praktisch parallel zu einer Ebene senkrecht zur Achs-

der Achse. io richtung. Ein elektrischer Feldvektor des höheren

Die F i g. 6a und 6b zeigen schematisch zwei Typs besitzt eine radiale Komponente E in radialer Grundprinzipien des erfindungsgemäßen, dielektri- Richtung der Zylinder 33 und 35. Wenn somit die sehen Resonators. Der zusammengesetzte dielektrische Kontaktfläche der beiden dielektrischen Elemente in Resonator nach F i g. 6a besteht aus zwei überein- der Achsrichtung der Anordnung nach F i g. 8 verander angeordneten dielektrischen Platten 21 und 23. 15 läuft, so erstreckt sich der elektrische Vektor in der Die Dielektrizitätskonstante ε, der Platte 21 und ε₂ Nähe der Kontaktfläche gemäß F i g. 10 senkrecht zu der Platte 23 besitzen entgegengesetzte Temperatur- dieser. Für diesen Schwingungstyp ist die Ausführungskoeffizienten. Um dies zu erreichen sind die beiden form nach F i g. 8 nicht geeignet.
Platten beispielsweise aus TiO₂ bzw. aus LiNbO₃ her- Da in diesem Fall die elektrische Feldkomponente E gestellt. Der zusammengesetzte, dielektrische Reso- 20 höherer Frequenz die Kontaktfläche senkrecht schneinator nach Fi g. 6b besteht ebenfalls aus zwei über- det muß die Kontaktfläche der beiden dielektrischen einander angeordneten, dielektrischen Platten 25, 27, Elemente aus folgendem Grunde eine optische Konderen Dielektrizitätskonstanten ε, und ε₂ entgegen- taktebene sein,
gesetzte Temperaturkoeffizienten aufweisen. Wenn man beispielsweise annimmt, daß infolge

Ebenso wie bei den Grundschwingungstypen gemäß 25 eines losen mechanischen Kontaktes zwischen den Fig. 3b, 3c, 4b und 4c verläuft ein elektrisches dielektrischen Elementen 39 und 41 gemäß F i g. 10 Feld E im Schwingungstyp nach den Ausführungs- eine Luftschicht 37 vorhanden ist, so wirkt auf diese formen gemäß den Fig. 6a und 6b parallel zur ein starkes elektrisches Feld. Bei einer relativen Diflachen Kontaktebene zwischen den beiden Elementen, elektrizitätskonstante des dielektrischen Elementes

SöWöiii uciiTi rcCiiicCKigcfi etiS ciuCii i/Cirfi SCnCtiyvn 3° »vn C₁- miw vnivm vivrvi! !jvnCn ι Civi L^ im t^iCmcrU iSt

förmigen Resonator. die elektrische Feldstärke in der Luftschicht 37 gleich

In F i g. 9 sind die relativen Dielektrizitätskonstan- e_rE. Dadurch ist die elektrische Energiedichte in der

ten ε\_ und e_t von ε, für TiO₂ in Abhängigkeit von Luftschicht 37 ε,-mal größer als diejenige im diclcktri-

der Temperatur aufgetragen. Die Kurve e_ti gibt die sehen Element. Wenn somit der Einfluß der elektri-

Abweichung der relativen Dielektrizitätskonstante in 35 sehen Energie in der Luftschicht 37 mit der Stärke /„

einer Richtung parallel zur optischen Achse des auf die Abweichung der Resonanzfrequenz begrenzt

dielektrischen Materials und εχ in einer Richtung werden soll unter eine in der Form ρ ■ \0~^x gegebene

senkrecht zur optischen Achse an. Frequenzabweichung, ist der Zusammenhang zwischen

F i g. 11 zeigt eine entsprechende Darstellung für dem Durchmesser D des dielektrischen Elementes und

die relative Dielektrizitätskonstante ε₂ von LiNbO₃. 40 der Stärke t_a der Luftschicht 37 durch die folgende

Wie die Zeichnung zeigt besitzen ε, und ε₂ entgegen- Bedingung auszudrücken:
gesetzt gerichtete Temperaturkoeffizienten.

Der Scheibenresonator nach F i g. 4a kann beim _f _ P D · IO ,^.

zusammengesetzten, dielektrischen Resonator gemäß e_r

der Erfindung auch in abgewandelter Form verwendet 45

werden. Fn der Ausführungsform gemäß F i g. 7 ist Wenn die relative Lage zwischen den beiden dielekbeispielsweise ein kreisförmiges Loch in die Mitte trischen Elementen zur gewünschten Frequenzkompeneiner dielektrischen Scheibe 29 mit der relativen sation bei der Temperaturänderung oder aus einem Dielektrizitätskonstante ε₂ gebohrt, so daß sich eine Grunde einer Säkularabweichung geändert wird, kann innere Scheibe 31 mit der relativen Dielektrizitäts- 50 die Stärke t_a der Kontaktebene nicht immer ein konkonstante E₁ einsetzen läßt, deren Temperaturkoeffi- stanter Wert sein, so daß eine gewisse Abweichung Δ t_a zient demjenigen von ε₂ entgegengesetzt ist. Gemäß eintritt. In diesem Fall ist es wünschenswert die von F i g. 2 empfiehlt es sich, da die elektrische Feld- der Abweichung Δ t_a verursachte Frequenzabweichung komponente gegen die Mitte der Scheibe 31 zu kleiner zu machen als den von der Temperaturänderung schwächer wird, die Dielektrizitätskonstante ε, der 55 verursachten Einfluß. Zur Begrenzung der Frequenzeingesetzten inneren Scheibe 31 größer zu wählen als änderung in einem gewünschten Betrag ρ · 1O^-* bei die Dielektrizitätskonstante ε₂ der äußeren Scheibe 29. einem bestimmten Bereich der Temperaturänderung

Bei Anwendung des Prinzips des zylindrischen Re- muß diese Abweichung der Stärke Δ t_a in dem durch sonators nach F i g. 5 a erscheint das elektrische Feld E die Gleichung (2) gehaltenen Ausmaß gehalten werden, praktisch parallel zur Zylinderachse. Ein zusammen- 60 Bei Verwendung von TiO₂ mit einer Kennlinie gemäß gesetzter, dielektrischer Resonator gemäß der Erfin- F i g. 9 als dielektrisches Element beträgt die relative dung kann deshalb aus einem Hohlzylinder 33 mit Dielektrizitätskonstante e_r etwa 70 bis 100. Der Durchder Dielektrizitätskonstante ε₂ und einem umgekehrten messer D der dielektrischen Scheibe liegt für das Quasidielektrischen Stab 35 mit der Dielektrizitätskon- millimeterwellen-Frequenzband in der Größenordnung stanteCi hergestellt werden (F i g. 8). Der Stab 35 65 von etwa 5 mm.

sitzt im Hohlraum des Zylinders 33. Die Temperatur- Soll die Frequenzabweichung infolge Temperaturkoeffizienten der beiden Dielektrizitätskonstanten ε₂ änderung durch die Kompensation auf eine Größen- und E₁ sind wieder entgegengesetzt gewählt. Ordnung von 10~⁴ begrenzt werden, so muß der Be-

7 8

trag/I/_α sein: At_n -0,0005 m, aus obiger üleichung(2) Beispielsweise sind in einem zusammengesetzten, di-

abgeleitet. Obige Erläuterung bezieht sich auf die Ein- elektrschen Resonator gemäß der Errindung(F i g. 13)

stellung der Frequenzkompensation für Temperatur. dielektrische Scheiben 47 und 49 aul eine Erdungs-

Das Prinzip ist jedoch auch bei der Einstellung der platte 51 montiert über ein tragendes Bett 53 aus

Resonanzfrequenz anwendbar. Soll bei dieser Anwen- 5 Isoliermaterial mit kleiner Dielektrizitätskonstante, in

dung ein Feineinstellbercich der Frequenz innerhalb dessen Mitte ein Hohlraum 55 vorgesehen ist. Ein

von /; · 10 -^r erreicht werden, so muß der Betrag von Bauteil 56 zum Verändern der Resonanzfrequenz,

/I t_a auf den durch den Ausdruck (2) bestimmten Wert etwa eine Schraube aus Metall oder einer dielektrischen

begrenzt werden. Zu beachten ist, daß die Stärke t_a Substanz, ist so einstellbar, daß sich die Resonanz-

der Luftschicht 37 in F i g. 10 kleiner sein muß als io frequenz durch Variieren der Länge des Teiles der

0,005 Mikron, im Fall der Anwendung der Anordnung Schraube 56, die in den Hohlraum 55 ragt, fein ab-

nach F i g. 8 auf den Typ //E₁,. Mit Rücksicht auf stimmen läßt.

die Bearbeitungsgenauigkeit ist es jedoch nahezu F i g. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß

unmöglich eine derartige Luftschicht von 0,005 Mi- der Erfindung. Ein zusammengesetzter dielektrischer

krön, d. h. eine optische Kontaktftäehc, zu erreichen. 15 Resonator umfaßt eine TiO₂-Scheibe 57, eine LiNbO₃-

Beim Schwingungstyp HE_n in der Ausführungsform Scheibe 59 und eine dünne Scheibe 61 aus einem der

gemäß F ί g. 6b ist die elektrische Feldkomponente E dielektrischen Materialien TiO₂ und LiNbO₃. Diese

immer parallel zur Kontaktfläche zwischen den beiden dritte Scheibe 61 sitzt auf den übereinander angeord-

Elementen. Wenn deshalb die Kontaktfläche der beiden neten Scheiben 57 und 59. Durch Drehen der Scheibe6l

dielektrischen Elemente gemäß F i g. 6b angeordnet 20 urn die Achse läßt sich die Resonanzfrequenz fein

und parallel zur Richtung des elektrischen Feldes vcr- regulieren. Für die Ausf ührungsform sei angenommen,

läuft, kann die Stärke I_n der Luftschicht 37 auf das daß die optischen Achsen der Scheiben 57, 59 und 61

fr-fache vergrößert werden, d. h. bis zur Größen- in der entsprechenden Scheibenebene senkrecht zu

Ordnung von 0,5 Mikron. Diese Bearbeitungsgcnauig- den Scheibenachsen liegen. Die Richtung des elek-

keit ist lOOmal geringer und in der Regel ohne Schsvic- as frischen Feldes in der dünnen Scheibe 61 hängt haupt-

rigkeiten erzielbar. sächlich von den Achsen der beiden dicken Scheiben 57

Zur noch besseren Frequenzkompensation des di- und 59 ab. Da im Fall der Verwendung des Typs EH_n

elektrischen Resonators gegen Temperaturänderungen die Richtung des elektrischen Feldes im Abschnitt

isi die dielektrische Scheibe so ausgebildet, daß eine parallel zur Achse der Scheiben 57 und 59 kaum von

optische Achse in einer Fläche der Scheibe 25 oder 27 30 der Achse der dünnen Scheibe; 61 beeinflußt wird,

nach F i g. 6b liegt. Im allgemeinen besitzt ein diclek- wenn die Achse der dünnen Scheibe 61 mit der Achse

trisches Element in verschiedener Richtung unter- der dickeren Scheibe 59 darunter zusammenfällt, ist

schiedliche Dielektrizitätskonstanten, d. h. einen die äquivalente Dielektrizitätskonstante der dünnen

Werte, in Richtung der optischen Achse und einen Scheibe 61 beinahe εχ, während, wenn die Achse

Wert εχ in Richtung der Fläche senkrecht zum Achsen- 35 dieser Scheibe 61 senkrecht zur Achse der Scheibe 59

unterschied voneinander. Für den Fall von TiO₂ und ist, die äquivalente Dielektrizitätskonstante in der

LiNbO₃ beispielsweise erhält man den Temperatur- Scheibe 61 beinahe gleich ε,, ist. Infolgedessen erreicht

verlauf nach F i g. 9 und U indem allgemein gilt bei Verwendung eines dielektrischen Materials gemäß

ej_ > _ε . der Bedingung εχ > t_t als dielektrisches Material der

Wenn somit im Fall der Verwendung des Schwin- 40 dickeren Scheibe 59 die Resonanzfrequenz einen Mi-

gungstyps HE_n die Achsen der beiden dielektrischen nimalwert, wenn die Achse der dünneren Scheibe 61

Scheiben 43 und 45, die aus LiNbO₃ bzw. TiO₂ be- mit derjenigen der dickeren Scheibe 59 zusammenfällt,

stehen, zueinander parallel sind, so besitzt das Die Resonanzfrequenz erreicht ein Maximum, wenn

elektrische Feld in der Richtung parallel zu den die beiden Achsen zueinander senkrecht sind. Das

Scheibenachsen eine größere Komponente als in der 45 bedeutet, daß die Resonanzfrequenz durch Drehen

Richtung senkrecht zu den Achsen. Bei Anordnung der dünneren Scheibe 61 um die Achse fein unstell-

der beiden dielektrischen Scheiben 43 und 45 derart, bar ist.

daß sich ihre Achsen rechtwinklig kreuzen, ist das Bei der Erfindung kann somit, wie oben beschrieben, elektrische Feld in der Nähe der Kontaktfläche eher eine durch Temperaturänderung verursachte Änderung angeschlossen an eine Richtung senkrecht zur Achse 50 der Resonanzfrequenz durch Kcmbination zweier verdes dielektrischen Elements mit größeren εχ, d. h., es schiedener dielektrischer Materialien beseitigt werden, ist mehr zur Achse des Elementes mit kleineren εχ Die Dielektrizitätskonstanten dieser beiden Materialien gerichtet. Deshalb ist eine äquivalente Dielektrizitäts- müssen entgegengesetzt gerichtet sein, so daß man konstante annähernd gleich ε in dem Element, her- einen zusammengesetzten, dielektrischen Resonator gestellt aus dielektrischem Material von kleineren εχ. 55 äußerst stabiler Resonanzfrequenz erhält. Da außer-Infolgedessen wird die elektrische Energiekomponente dem ein dielektrischer Resonator gemäß der Erfindung in diesem Element mit kleinerem e, größer. Aus dem so angeordnet ist, daß das hochfrequente elektrische obenerwähnten Grund kann die Verteilung der elek- Feld die Luftschicht im Kontaktabschnitt der beiden trischen Energie in den beiden dielektrischen Schei- dielektrischen Elemente nicht durchdringt, wird die ben43 und 45 durch Verändern des Schnittwinkels 60 Resonanzfrequenz durch Veränderung dieser Luftder beiden Achsen der dielektrischen Scheiben variiert schicht nicht verschoben, selbst wenn sich der Zustand werden, so daß eine Frequenzkompensation gegen dieser Luftschicht im Verlaufe der Zeit oder durch Temperaturänderungen dadurch erfolgen kann, daß mechanische Schwingungen verändert. Ferner erzielt man den Winkel der beiden Achsen so einstellt, daß man den bemerkenswerten Effekt, daß die Frequenzer der Gleichung (1) genügt. Da jedoch in diesem Fall 65 kompensation gegen Tempsratur und die Feindie Resonanzfrequenz durch obige Einstellung ver- einstellung der Frequenz leicht realisierbar ist durch ändert wird, muß eine getrennte Maßnahme zur Fein- Verändern der relativen Lage der beiden dielektrischen einstellung der Resonanzfrequenz vorgesehen werden. Elemente in ihrer Kontaktebene.

Bei einer praktischen Ausfiihrungsform des crlin- gesehen vom dielektrischen Element 81 in dem oberen

dungsgemäßen Resonators ist eine weitere Fein- DämpfiniRsbercich, kleinere Werte an, und die r.iagne-

einstcllvorrichtung vorgesehen zur Einstellung der tische Energie in diesem dielektrischen Element 81

Kompensation der Frequenzabweichung infolge Tem- wird somit größer. Her gleiche Einfluß wirkt auf die

peraturänderung. Die Grundform des oben erläuterten 5 Unterseitenimpedanz Z₁₁₂, gesehen vom dielektrischen

Resonators besitzt eine Kontakttläche zwischen zwei Element 83 aus, mit der charakteristischen Impedanz

dielektrischen Elementen als Bi'sis. Außerhalb des Z,₂ in die Unterseite, d. h. die Luftseitc.

Resonators oder genauer außcrlu Ib der beiden anderen Andererseits steht uie Stärke Ii,,, des elektrischen

Flächen des zusammengesetzter dielektrischen Rcso- Feldes in Umfangsrichtung im dielektrischen Element

nators, wird ein Schwingungstyp erzeugt, der als \o immer in einem bestimmten Verhältnis zur Ftarkc H₁

Dämpfungstyp (evanescent mode) bezeichnet wird. des Magnetfeldes in axialer Richtung im dielektrischen

Betrachtet man im Bereich dieses Dämpfungstyps Element. Wenn die elektrische Feldstärke Εφ im Re-

beispielsweise den Typ 7"E₀₁, so ist die magnetische sonator infolge einer Zunahme des Magnetfeldes in

Energie erheblich stärker als die elektrische Energie diesem abnimmt, so konzentriert sich die elektrische

des Schwingungstyps. Die Erfindung basiert auf der 15 Feldenergie in den beiden dielektrischen Elementen,

Erkenntnis dieser Tatsache. abgesehen von den Metallzapfcn 91 und 93.

Gemäß der Erfindung ist mindestens ein cinstcll- Wenn die Dielektrizitätskonstanten der diclcktri-

bares Metallelement im Dämpfungstypbereich außer- sehen Materialien bei einem Temperaturanstieg größer

halb des Resonators zum Einstellen des Intervalls und kleiner werden, beispielsweise bei Verwendung

zwischen dem Metallelement und der Resonatorflächc 20 von TiO₂ und LiNbO₃ für die dielektrischen Elctnen-

vorgesehen, so daß die magnetische Energie in einem te 81 und 83, nimmt die magnetische Energie im

dielektrischen Element eingestellt wird zum Steuern dielektrischen Element 81, d.h. im TiO₂ zu, und die

ihrer Verteilungsratc für die Resonanzschwingung des elektrische Energie in diesem Element 81 nimmt ab,

Resonators und eine Feineinstellung der Frequenz- wenn der Metallzapfen 91 gegen das dielektrische

abweichung infolge Temperaturänderung erreicht wird. 25 Element 81 bewegt wird. Dies ist dem Fall äquivalent.

In den obigen Ausführungsformen der Erfindung in dem angenommen wird, daß die Dichte des diolek-

können Frequenzabweichungen bis zu einigen MHz trischen Elementes 81 aus TiO₂ kleiner wird,

im 10-GHz-Band bei einer Temperaturänderung von Infolgedessen nimmt der Beitrag des dielektrischen

— 20 bis +8O⁰C kompensiert werden. Lediglich durch Elementes 81 zur Resonanzfrequenz ab, und die durch

Anwendung des Grundprinzips det cifiiujiiiigsgcrnäßcri 3= den Temperaturanstieg des Resonators verursach!.¹

Ausführungsform war dagegen die feinere Kompen- Frequenzänderung bewegt sich auf eine kleinere

sation der Frequenzabweichung schwierig, d. h. in Frequenz zu, wenn die Temperatur ansteigt. Der

einer Größenordnung von weniger als 1 MKz. Temperaturgradient der Resonanzfrequenz isi bei

Fig. 15 zeigt eine bevorzugte, insbesondere prak- dieser Einstellung nämlich negativ. Wenn umgekehrt

tische Ausführungsform der Erfindung, in der eine 35 der Metallzapfen 93 gegen das dielektrische Element 83

bandförmige Übertragungsleitung 71 zwischen äußeren bewegt wird, wird die magnetische Energie im Element 83

Abschirmplatten 73 und 75 unter Zwischenlage von größer, und der Beitrag dieses Elements zur Resonanz

Stützen77 und 79 aus Isoliermaterial mit kleiner frequenz nimmt ab, so daß bc^; Verwendung von

Dielektrizitätskonstante, wie etwa »Teflon« (Waren- LiNbO₃ mit einer relativen Dielektrizitätskonstante,

zeichen), angeordnet ist. Ein zusammengesetzter di- 40 die mit dem Temperaturanstieg zunimmt, als dielcK

elektrischer Resonator gemäß dem Prinzip der Erfin- trisches Element 83, wie im Fall dieser Ausführu'vi--

dung mit flachen scheiben- oder rechteckförmigen form, die Frequenzabweichung infolge des Tcmpei aim -

dielektrischen Elementen 81 und 83 ist neben der anstiegs des Resonators sich nach höherer Frequenz.

Streifenleitung 71 angeordnet und in einem Bett 85 bewegt. DerTemperaturgradient der Resonanzfrequenz,

mit einem Hohlraum 85a getragen. In die Abschirm- 45 ist bei dieser Einstellung deshalb positiv,

platten 73 und 75 sind gegenüber dem dielektrischen Je nachdem, ob der Zapfen 91 gegen das dielektrische

Resonator mit den Elementen 81 und 83 Sacklöcher 87 Element 81 oder der Zapfen 93 gegen das dielektrische

und 89 gebohrt. In die Sacklöcher 87 und 89 sind Element 83 bewegt wird, läßt sich somit der Temper.i-

Gewindezapfen 91 und 93 aus Metall geschraubt, so turgradient der Resonanzfrequenz des zusammer,-daß sich der Abstand zwischen der Oberseite der 50 geset'.ten, dielektrischen Resonators entweder im

Zapfen 91 und 93 und den en isprechenden dielektri- negativen oder positiven Sinne einstellen,

sehen Elementen 81 und 83 durch Bewegen der Metall- Damit die Resonanzfrequenz bei einer gewissen

zapfen 91 und 93 in Richtung der Pfeile in der Zeich- Temperatur konstant bleibt, sollte der Zapfen 93 vom

nung verändern läßt. Die Stärke des Bodens des Hohl- dielektrischen Element 83 wegbewegt werden, wenr raums85fl der von dem tragenden Bett 85 begrenzt 55 der Zapfen 91 gegen das dielektrische Element 81

wird, muß zum Abstützen der dielektrischen Elemen- bewegt wird, und umgekehrt. Die vorherige Einstellung

te 81 und 83 ausreichend stark sein und außerdem so machtdenTemperaturgradientenderResonanzfrequen;

angeordnet sein, daß die Schraubbewegung des Metall- negativ, und die letztere Einstellung macht ihn positiv

zapfens 93 nicht behindert wird. F i g. 17 zeigt Kurven für verschiedene Distanz F i g. 16 zeigt eine äquivalente elektrische Schal- 60 kombinationen zwischen Zapfen und zugehörigen

tung der Ausführungsform nach F i g. 15. Eine Cber- dielektrischen Element, wenn die Resonanzfrequen

seitenimpedanz Z_1n, vom dielektrischen Element 81 konstant eingestellt wird. Der Abstand It₁ zwischei

aus eesehen, mit der charakteristischen Impedanz Z_ei dem dielektrischen Element 81 und dem Zapfen 9

für die Oberseite, d. h. die Luftseite, ist im Fall des und der Abstand /i₂ zwischen dem dielektrische SchwinEunastypä TE_m induktiv. Die induktive Korn- 65 Element 83 und dem Zapfen 93 läßt sich du^ch ei

poncnte der Impedanz Ζ_β1 wird kleiner, wenn der Verhältnis mit einem Durchmesser 2a der dielektr

Z'ipfen 91 näher an das dielektrische Element 81 be- sehen Elemente 81 und 83 ausdrücken. In F i g. 1

v.eet wird. Infolgedessen nimmt die Impedanz Z₀₁, sind auf Abszisse und Ordinate die Werte hJ2a bzv

Ιι₂βα aufgetragen. Die Kurven beziehen sich auf konstante Frequenz bei verschiedenen Kombinationen dieser Werte. Der in jeder Kurve gezeigte Parameter Xo wird in dieser Figur erhalten durch Multiplikation der Ausbreitungskonstante im freien Raum um den Radius α des dielektrischen Elementes. Ein Punkt P desTemperaturgradiemen bei der Resonanzfrequenz 0 erhält man durch Verbinden der Mittelpunkte der Kurven. Der Temperaturgradient der Resonanzfrequenz nimmt negative Werte an, wenn die Abstände It₁IIa und hJ2a '.n einem Bereich über dem Punkt /\ 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 Metallzapfcn und dem dielektrischen Eiern-nt, 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 TiO₂, also einen einfachen Resonator, während die ausgezogene Kurve II einen zusammengesetzten dielektrischen Resonator gemäß Γ i g. 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 F i g. 15 die Verschiebung der Resonanzfrequenz auf 200 kHz im Temperaturbereich von —20 bis 4-8O⁰C 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.

F i g. 20 zeigt als Alisführungsbeispiel 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 a:n Boden (Fläche H) 109 des Hohlleiters 100 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 Bandsperrhllcr. Zur Schaffung eines Bandpaßlilters unter Verwendung

ίο einer Streifenübertragungsleitung kann ein zusammengesetzter, dielektrischer Resonator gemäß der Erfindung gemäß F i g. 21 und 22 angeordnet werden. Gemäß F i g. 21 und 22 umfaßt ein zusammengesetzter dielektrischer Resonator zwei dielektrische Elemente 121 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 dem dielektrischen Element 123 und dem Hohlraum 135 versehen. Die Abschirmplatten 129 und 131 sind gegenüber den dielektrischen Elementen 121 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 131 in Richtung auf die dielektrischen Elemente 121 und 123 eingeschraubt sind.

Zur Herstellung eines Bandpaßfilters mit einem Hohlleiter wird ein zusammengesetzter, dielektrischer Resonator nach F i g. 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 TE₀₁ 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 Temperatur*, jmpensation 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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Die Erfindung bezieht sich auf einen zusammengesetzten, dielektrischen Hohlraumresonator für Hoch-

1. Dielektrischer Hohlraumresonator, geke η "- frequenz, insbesondere für den Millimeterwellenzeichnet durch mindestens zwei verschiedene, bereich. Auf diesem Gebiet wird eine strenge Tempean einer Kontaktfläche zu einem Resonator zu- 5 raturkonstanz der elektrischen Werte gefordert,
sammengefaßte dielektrische Elemente mit ent- Zur Miniaturisierung von Rundfunkausrüstungen gegengesetzt temperaturabhängiger, relativer Di- durch Einführung von Elementen integrier+er Schalelektrizitätskonstante, wobei der Schwingungstyp tungen im Quasimillimeterwellenbereich und zur im Resonator so gewählt ist, daß die elektrische Erzielung eines großen Q-Wertes in den Filtern wurde Feldkomponente des Hochfrequenzfeldes parallel io schon ein kleiner dielektrischer Resonator vorgeschlazur Kontaktfläche zwischen den beiden dielektri- gen aus einem integrierten Schaltungselement mit sehen Elementen verläuft. aufgedampftem dielektrischem Material. Ein prakti-

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- scher dielektrischer Resonator konnte jedoch, vor zeichnet, daß die beiden dielektrischen Elemente allem mit Rücksicht auf die Temperatureigenschaften, aus TiO₂ und LiNbO₃ bestehen. 15 nicht realisiert werden. Die Resonanzfrequenz eines

3. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- derartigen dielektrischen Resonators verschiebt sich zeichnet, d?^Q die dielektrischen Elemente aus über- mit der Temperaturänderung, so daß eine praktische einander angeordneten, rechteckigen Elementen Anwendung kaum möglich ist.

bestehen. Eine Lösung wurde von M. R. S t i g 1 i t ζ in

4. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 20 »Frequency Stability in Dielectric Resonator«, IEEE zeichnet, daß die dielektrischen Elemente aus über- MTT-14, Nr. 9 vom September 1966, S. 311, vorgeeinander angeordneten, flachen scheibenförmigen schlagen.

Elementen bestehen. Bei diesem Stiglitz-Resonator liegt ein dielektrisches

5. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Resonatorelemenf auf einer Innenseite eines Wellenzeichnet, daß die dielektrischen Elemente aus zwei 25 oder Hohlleiters unter Zwischenlage eines Hochkonzentrischen, scheibenförmigen Platten bestehen. frequenzisolators hoher thermischer Leitfähigkeit, wie

6. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- etwa Bornitrid (BN) so daß die durch die Hochfrequenz zeichnet, dal· aie dielektrischen Elemente aus zwei im dielektrischen Element des Resonators, z. B. Titankoaxialen Zylinderelementen hergestellt sind. oxyd (TiO₂), erzeugte Wärme über die Oberfläche des

7. Resonator nach Anspruch 1, dadi ich gekenn- 30 Hohlleiters verteilt wird.

zeichnet, daß mindestens ein Metallzapfen dicht Durch Anwendung dieser Lehre auf einen dielek-

gegenüber einer Außenfläche des Resonators an- trischen Resonator läßt sich der Temperaturverlauf

geordnet ist, so daß der Abstand zwischen dem der Resonanzfrequenz gemäß F i g. 1 verbessern. In

Metallzapfen und der Resonatorfläche zur Steue- der Figur zeigt die Kurve I wieder den Temperalur-

rung der magnetischen Feldkomponente in den 35 verlauf des dielektrischen Resonators nach S t i g 1 i t ζ

dielektrischen Elementen einstellbar ist. und die Kurve II den Temper iturverlauf bei einem

8. Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekenn- gewöhnlichen Resonator ohne den Hochfrequenzzeichnet, daß als dielektrische Werkstoffe TiO₂ und isolator. Allerdings läßt sich im dielektrischen Reso-LiNbO₃ gewählt sind. nator nach S t i g 1 i t ζ der Einfluß der Umgebungs-

9. Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekenn- 40 temperatur nicht eliminieren.

zeichnet, daß zur Steuerung der magnetischen Ein weiterer Versuch ist in einem Aufsatz von Feldkomponente in den dielektrischen Elementen M. A. G e r d i η e »A Frequency Stabilized Microzwei Metallzapfen gegenüber den Resonatorflächen wave Band Rejection Filter Using Dielectric Resoeinstellbar angeordnet sind. nators«, IEEE MTT-17, Nr. 7, Juli 1969, beschrieben.

10. Resonator nach Anspruch 7, dadurch ge- 45 F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen kennzeichnet, daß die beiden Metallzapfen in dielektrischen Resonators, der zwei dielektrische zwei Abschirmplatten geschraubt und einstellbar Elemente 1 und 3, beispielsweise aus TiO₂ zeigt, die sind, die die äußere Zelle des Resonators darstellen. durch am Luftschicht 5 getrennt sind. Die TiO₂-

11. Resonator nach den vorhergehenden Ansprü- Scheiben 1 und 3 werden von Stäben 7, 9 getragen, chen, gekennzeichnet durch die Befestigung auf 50 die aus einem Isoliermaterial mit großem, thermischen einer Abstützung, die einen Teil eines Hohlraumes Expansionskoeffizienten und kleiner Dielektrizitätsbildet, angebracht auf einer Abschirmplatte eines konstante bestehen. Die isolierenden Stäbe 7, 9 sind Teiles der Außenwand des Resonators und durch mittels Klemmen 15, 17 an den Seitenwänden 11, 13 zwei Metallzapfen einstellbar zur Bewegung in eines Hohlleiters festgemacht. Bei dieser Ausfü'irungsaxialer Richtung an der Abschirmplatte und einer 55 form wird der Abstand zwischen den beiden dielektridemgegenüber so angeordneten weiteren Abschirm- sehen Elementen 1, 3 entsprechend der Längenplatte, daß der Abstand zwischen den Oberflächen änderung der sie tragenden Isolatoren 7, 9 SO verder Metallzapfen und den Resonatorflächen ein- ändert, daß mögliche Änderungen der Resonanzstellbar ist. frequenzeigenschaften infolge Teniperaturänderung

12. Resonator nach Anspruch 11, gekennzeichnet 60 der dielektrischen Elemente kompensiert werden, durch zwei parallele Abschirmplatten mit je einem Dieses Prinzip läßt sich bei der Konstruktion eines eingeschraubten Metallzapfen, die gegen die Re- Bandsperrfilters zum Stabilisieren der Filterfrequenz sonatoraußenflächen axial bewegbar sind, und gegen Temperaturschwankungen verwenden. Allerdurch eine zwischen den beiden Abschirmplatten dings eignet sich das Prinzip nicht für Bandpaßfilter unter Zwischenlage von Abstützelementen aus 65 und hut den Nachteil, daß die Frequenz durch me-Isoliermaterial kleiner Dielektrizitätskonstante an- chanische Schwingungen leicht veränderbar ist. Außergeordnete Streifenleitungs-Übertragungsschaltung. dem bereitet es Schwierigkeiten den Feineinstell-

mechanismus für die Resonanzfrequenz so auszu-