DE2158514C3

DE2158514C3 -

Info

Publication number: DE2158514C3
Application number: DE2158514A
Authority: DE
Inventors: Norio Hoshino; Yoshihiro Sagamihara Konishi; Yosuke Takano
Original assignee: NIPPON HOSO KYOKAI TOKIO
Current assignee: NIPPON HOSO KYOKAI TOKIO
Priority date: 1970-11-26
Filing date: 1971-11-25
Publication date: 1978-08-17
Also published as: FR2115402A1; NL157751B; JPS5038500B1; NL7116299A; DE2158514B2; GB1376938A; DE2158514A1; FR2115402B1; US3798578A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen dielektrischen Resonator, bestehend aus mindestens zwei Elementen entgegengesetzten Temperaturverhaltens, von denen wenigstens eines ein dielektrisches Element ist und die Elemente an einer Kontaktfläche zusammengefaßt sind für Hochfrequenz, insbesondere für den Millimeterwellenbereich. Auf diesem Gebiet wird eine strenge Temperaturkonstanz der elektrischen Werte gefordert.

Durch die DE-AS 11 30 020 ist eine Anordnung zur Temperaturkompensation der gyromagnetischen Eigenschaften von Ferritscheiben mit mindestens zwei Elementen entgegengesetzten Temperaturverhaltens bekannt, von denen wenigstens eines ein dielektrisches Element ist und die Elemente an einer Kontaktfläch.e zu einem Resonanzisolator zusammengefaßt sind.

Aus dem Artikel »A Miniature High-ζ) Bandpass Filter Employing Dielectric Resonators« in der Zeitschrift IEEE Transactions, Vol. MTT-16, Nr. 4, April 1968 ist ein zusammengesetzter dielektrischer Resonator bekannt, bei welchem ein Ferritmaterial in TiO₂ eingeführt ist. Die Temperaturkompensation dieses Resonators erfolgt durch Ausnutzung der Änderung der Permeabilität des Ferrits abhängig von der Temperatur, wobei die Einstellung der Temperaturkompensation schwierig wird, da durch die beiden Elemente zwei verschiedene Arten von Temperaturkoeffizienten nutzbar gemacht werden sollen.

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 dielektrischem Material. Ein praktischer dielektrischer Resonator konnte jedoch, vor allem mit Rücksicht auf die Temperatureigenschaften, 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. S t i g 1 i t z in »Frequency Stability in Dielektric Resonator«, IEEE MTT-14, Nr. 9 vom September 1966, Seite 311, vorgeschlagen.

Bei diesem Stiglitz-Resonator liegt ein dielektrisches Resonatorelement auf einer Innenseite eines Wellenoder Hohlleiters unter Zwischenlage eines Hochfreqi.xnzisolators hoher thermischer Leitfähigkeit, wie etwa Bornitrid (BNX so daß die durch die Hochfrequenz im dielektrischen Element des Resonators, z. B. Titanoxid (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 F i g. 1 verbessern. In der Figur zeigt die Kurve I wieder den Temperaturverlauf des dielektrischen Resonators nach S t i g I i t z und die Kurve Il den Temperaturverlauf bei einem gewöhnlichen Resonator ohne den Hochfrequenziwlator. Allerdings läßt sich im dielektrischen Resonator nach S t i g 1 i t z der Einfluß der Umgebungstemperatur nicht eliminieren.

Ein weiterer Versuch ist in einem Aufsatz von M. A. Gerd ine »A Frequency Stabilized Microwave Band Rejection Filter Using Dielectric Resonators«, IEEE MTT-17, Nr. 7, Juli 1969, beschrieben.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen dielektrischen Resonators, der zwei dielektrische Elemente 1 und 3, beispielsweise aus TiO₂ zeigt, die durch eine Luftschicht 5 getrennt sind. Die TiO₂-Scheiben 1 und 3 werden von Stäben 7, 9 getragen, die aus einem Isoliermaterial mit großem, thvmischen Expansionskoeffizienten und kleiner Dielektrizitätskonstante bestehen. Die isolierenden Stäbe .", 9 sind mittels Klemmen 15, 17 an den Seitenwänden U, 13 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 Temperaturänderung 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 Resonanzfrequenz bei Temperaturschwankungen aufrechterhalten bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feineinstellung der Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators zu ermöglichen, insbesondere eines als ein Bandpaßfilter im Quasimillimeterwellenbereich verwendeten Resonators.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäD gelöst mit einem dielektrischen Resonator mit mindestens zwei Elementen entgegengesetzten Temperaturverhaltens, von denen wenigstens eines ein dielektrisches Element

ist und die Elemente an einer Konlaktfiäche zu einem Resonator zusammengefaßt sind, der dadurch gekennzeichnet ist, daß beide Elemente dielektrische Elemente mit entgegengesetzt temperaturabhängiger, relativer Dielektrizitätskonstante sind, daß zur Steuerung der magnetischen Feldkomponente in den dielektrischen Elementen zwei Metallelemente gegenüber den Resonatoraußenflächen einstellbar angeordnet sind und daß die beiden Metallelemente in zwei, Massepotential aufweisende Abschirmplatten geschraubt und einstell- to bar sind, die die äußere Zelle des durch eine Leitung angeregten Resonators darstellen.

Durch die Erfindung wird somit ein dielektrischer Resonator geschaffen, der im Quasimillimeterwellenbereich verwendbar ist und bei sich verändernder '5 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 des hochfrequenten elektrischen Feldes erstreckt.

Die beiden dielektrischen Elemente sind vorzugsweise nach folgender Zuordnung auszuwählen. Wenn man die Dielektrizitätskonstante der beiden dielektrischen Elemente mit t*i bzw. mit Γ2 bezeichnet und die Temperaturkoeffizienten der Konstanten mit

dt

bezeichnet, s( gilt folgende Gleichung:
jr.fi*- .,/ Edr_x

35

40

7;

wobei ri, T2 den jeweiligen dielektrischen Bereich und E die Vektorkomponente des hochfrequenten elektrischen Feldes bezeichnet.

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

Zur ausführlicheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen. Darin zeigt

Fi g. 1 eine graphische Darstellung der Änderung der Resonanzfrequenz zweier dielektrischer Resonatoren bei Temperaturänderung, f>o

Fig.2 einen schematischen Querschnitt des bekannten, durch G e r d i η e vorgeschlagenen, dielektrischen Resonators,

Fig.3a eine perspektivische Ansicht eines würlel- oder rechteckförmiger. Resonators, 6>

F i g. 3b sowie F i g. 3c Darstellungen zur Erläuterung des Grundschwingungstyps im Resonator nach F i g. 3a, Fig.4a eine perspektivische Ansicht eines scheibenförmigen, dielektrischen Resonaiors,

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

F i g. 5a eine perspektivische Ansicht eines zylinderförmigen, dielektrischen Resonators,

F i g. 5b, 5c sowie 5d Darstellungen des Grundschwingungstyps im Resonator nach F i g. 5a,

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

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

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

Fig.9 sowie Fig. 11 graphische Darstellungen des Zusammenhangs zwischen Temperatur und relativer Dielektrizitätskonstante des beim erfmdungsgemäßen Resonator verwendeten dielektrischen tvtaterials.

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 F i g. 15,

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

Fi g. 18 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs 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,

F i g. 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.

Vor der detaillierten Erläuterung des erfindungsgemäCen 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 unci "ia die Rechteck- oder Würfelform, die Scheibenform und die Zylinderform. Der Grundsehwingungstyp in einem rechteckigen Resonator nach F i g. 3a ist der Dioltyp gemäß schematisch'.T Darstellung in den F i g. 3b oder 3c. Der Grundschwingungstyp in einem Scheibenresonator gemäß Fig.4a ist der Typ TEa\ gemäß der F i g. 4Ί und 4r, wobei das hochfrequente elektrische Feld E parallel zu den Scheibenoberflächen verläuft. Der Grundschwingungstyp in einem zylindrischen Resonator gemäß F i g. 5a ist der Typ EHu gemäß den Fig. 5b, 5c, 5d. Bei diesem Schwin-

gungstyp 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 F i g. 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 to Dielektrizitätskonstante t\ der Platte 21 und e.2 der Platte 23 besitzen entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten. Um dies zu erreichen, sind die beiden Platten beispielsweise aus T1O2 bzw. aus LiNbOj hergestellt. Der zusammengesetzte, dielektrische Resonator nach Fig.6b besteht ebenfalls aus zwei übereinander angeordneten, dielektrischen Platten 25, 27, deren Dielektrizitätskonstanten ei und f2 entgegengesetzte Ternperaturkoeffizienten aufweisen.

Ebenso wie bei den Grundschwingungstypen gemäß F i g. 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. 2^

In Fig.9 sind die relativen Dielektrizitätskonstanten εχ und e„ von Et für T1O2 in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen. Die Kurve e„ gibt die Abweichung der relativen Dielektrizitätskonstante in einer Richtung parallel zur optischen Achse des jo dielektrischen Materials und ej_ in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse an.

F i g. 11 zeigt eine entsprechende Darstellung für die relative Dielektrizitätskonstante ε? von LiNbO₃. Wie die Zeichnung zeigt, besitzen ei und £2 entgegengesetzt gerichtete Temperaturkoeffizienten.

Der Scheibenresonator nach Fig.4a kann beim zussimmengesetzten, 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 £2 gebohrt, so daß sich eine innere Scheibe 31 mit der relativen Dielektrizitätskonstante ει 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 ει der eingesetzten inneren Scheibe 31 größer zu wählen als die Dielektrizitätskonstante ε₂ der äußeren Scheibe 29.

Bei Anwendung des Prinzips des zylindrischen Resonators nach F i g. 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 62 und einem umgekehrten dielektrischen Stab 35 mit der Dielektrizitätskonstante ει hergestellt werden (Fig.8). Der Stab 35 sitzt im Hohlraum des Zylinders 33. Die Temperaturkoeffizienten der beiden Dielektrizitätskonstanten ε- und ei sind wieder entgegengesetzt gewählt

Die Verwendung des zusammengesetzten Resonators nach dem Prinzip von F i g. 8 ist auf den Grundschwingungstyp und auf den Typ EH_n begrenzt in dem das elektrische Feld praktisch parallel zur Zylinderachse verläuft

Wird neben diesem fundamentalen Typ ein höherer Schwingungstyp HEw erzeugt, so liegt die elektrische Keldkomponente des höheren Schwingungstyps HEw praktisch parallel zu einer Ebene senkrecht zur Achsrichtung. Ein elektrischer Feldvektor des höherer 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. IO senkrecht zu dieser. Für diesen Schwingungstyp ist die Ausführungsform nach Fig. 8 nicht geeignet.

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

Wenn man beispielsweise annimmt, daß infolge eines losen mechanischen Kontaktes zwischen den dirlrktrischen Elementen 39 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 e._r und einem elektrischen Feld £im Element ist die elektrische Feldstärke in der Luftschicht 37 gleich ε_Γ£ Dadurch ist die elektrische Energiedichte in der Luftschicht 37 «,mal größer als diejenige im dielektrischen Element Wenn somit der Einfluß der elektrischen Energie in der Luftschicht 37 mit der Stärke I₁ auf die Abweichung der Resonanzfrequenz begrenzt werden soll unter eine in der Form ρ ■ 10-' gegebene Frequenzabweichung, ist der Zusammenhang zwischen dem Durchmesser D des dielektrischen Elementes und der Stärke f, der Luftschicht 37 durch die folgende Bedingung auszudrükken:

p I) ■ IO

Wenn die relative Lage zwischen den beiden dielektrischen Elementen zur gewünschten Frequenzkompensation bei der Temperaturänderung oder aus einem Grunde einer Säkularabweichung geändert wird, kann die Stärke t₃ der Kontaktebene nicht immer ein konstanter Wert sein, so daß eine gewisse Abweichung At₁ eintritt. In diesem Fall ist es wünschenswert, die von der Abweichung Ot₁ verursachte Frequenzabweichung kleiner zu machen als den von der Temperaturänderung verursachten Einfluß. Zur Begrenzung der Frequenzänderung in einem gewünschten Betrag ρ · 10-'bei einem bestimmten Bereich der Temperaturänderung, -Miß diese Abweichung der Stärke At₁ in dem durch die Gleichung (2) gehaltenen Ausmaß gehalten werden. Bei Verwendung von T1O2 mit einer Kennlinie gemäß Fig.9 als dielektrisches Element beträgt die relative Dielektrizitätskonstante t_r etwa 70 bis 100. Der Durchmesser D der dielektrischen Scheibe liegt für das Quasimillimeterwellen-Frequenzband in der Größenordnung von etwa 5 mm.

Soll die Frequenzabweichung infolge Temperaturänderung durch die Kompensation auf eine Größenordnung von 10—· begrenzt werden, so muß der Betrag At₁ sein: ΔU-0,0005 m, aus 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 ■ 10~* erreicht

werden, so muß der Betrag von Δι, 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 F i g. 8 auf den Typ f/Eu- Mit Rücksicht auf die Bearbeitungsgenauigkeit ist es jedoch nahezu unmöglich eine derartige Luftschicht von O,6ÜJ Mikron, d. h. eine optische Kontaktfläche, zu erreichen.

Beim Schwingungstyp W£n in der Ausführungsform gemäß Fig.6b ist die elektrische Feldkor.iponerite E immer parallel zur Kontaktfläche zwischen den beiden Elementen. Wenn deshalb die Kontaktfläche der beiden dielektrischen Elemente gemäß F i g. 6b angeordnet und parallel zur Richtung des elektrischen Feldes verläuft, kann die Stärke I, der Luftschicht 37 auf das e_rfache vergrößert werden, d. h. bis zur Größenordnung von 0,5 Mikron. Diese Bearbeitungsgenauigkeit ist lOOmal geringer und in der Rege! ui'iüc Schwierigkeiten erzielbar.

Zur noch besseren Frequenzkompensation des dielektrischen Resonators gegen Temperaturänderungen 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 e« in Richtung der optischen Achse und einen Wert βχ,ίπ Richtung der Fläche senkrecht zum Achsenunterschied voneinander. Für den Fall von TiO₂ und LiNbOj beispielsweise erhält man den Temperaturverlauf nach F i g. 9 und 11, indem allgemein gilt εχ> e_H.

Wenn somit im Fall der Verwendung des Schwingungstyps HEu die Achsen der beiden dielektrischen Scheiben 43 und 45, die aus LiNbO₃ bzw. TiO₂ 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 größeren εχ, d. h, es ist mehr zur Achse des Elementes mit kleineren ε^ gerichtet. Deshalb ist eine äquivalente Dielektrizitätskonstante annähernd gleich ε,, in dem Element, hergestellt aus dielektrischem Material von kleineren ε^. Infolgedessen wird die elektrische Energiekomponente in diesem Element mit kleinerem ει größer. Aus dem obenerwähnten Grund kann die Verteilung der e'ektrischen Energie in den beiden dielektrischen Scheiben 43 und 45 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 (1) 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, fiber ein tragendes Bett 53 aus Isoliermaterial mit kleiner Dielektrizitätskonstante, in dessen Mitte ein Hohlraum 55 vorgesehen ist Em 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 Teils der Schraube 56, die in den Hohlraum 55 ragt, fein abstimmen läßt.

■·, Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung. Ein zusammengesetzter dielektrischer Resonator umfaßt eine TiO₂-Scheibe 57, eine LiNbO₃-Scheibe 59 und eine dünne Scheibe 61 aus einem der dielektrischen Materialien TiO₂ und LiNbO₃. 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

r> 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 .U [Λ-, ;„, PgIl Aar- VnrwAnHlJIIO ApC Tvnt EH'.\ d'C Richtung des elektrischen Feldes im Abschnitt parallel zur Achse der Scheiben 57 und 59 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 e_L, während, wenn die Achse dieser Scheibe 61 senkrecht zur Achse der Scheibe 59 ist, die äquivalente Dielektrizitätskonstante in der Scheibe 61 beinahe gleich ε« ist. Infolgedessen erreicht bei Verwendung

jo eines dielektrischen Materials gemäß der Bedingung ti >€,, 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 Resonanzfre-

i"> quenz 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 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

w 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 TEo), 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 .in Dämpfungstypbereich außerhalb des Resonators zum Einstellen des Intervalls zwischen dem Metallelement und der Resonatorfläche vorgesehen, so daß die magnetische Energie in 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-GHz-Band bei einer Temperaturänderung von -20 bis +80⁰C 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, insbesondere 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, v. ie 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 Elemente 91 und 93 aus Metall geschraubt, so daß sich der Abstand zwischen der Oberseite der Metallelemente 91 und 93 und den entsprechenden dielektrischen Elementen 81 und 83 durch Bewegen der M^tallelemente 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 Metallelements 93 nicht behindert wird.

Fig. 16 zeigt eine äquivalente elektrische Schaltung der Ausführungsform nach F i g. 15. Eine Oberseitenimpedanz Z, ι, vom dielektrischen Element 81 aus gesehen, mit der charakteristischen Impedanz Z_c\ für die Oberseite, d. h. die Luftseite, ist im Fall des Schwingungstyps TE)i induktiv. Die induktive Komponente der Impedanz Z₁1 wird kleiner, wenn das Metallelement 91 näher an das dielektrische Element 81 bewegt wird. Infolgedessen nimmt die Impedanz Z₁I, gesehen vom dielektrischen 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 Z₁2, gesehen vom dielektrischen Element 83 aus, mit der charakteristischen Impedanz Z_ci in die Unterseite, d. h. die Luftseite.

Andererseits st.ht die Stärke Ep des elektrischen Feldes in Umfangsrichtung im dielektrischen Element immer in einem bestimmten Verhältnis zur Stärke H_x des Magnetfeldes in axialer Richtung im dielektrischen Element. Wenn die elektrische Feldstärke Εφ im Resonator infolge einer Zunahme des Magnetfeldes in diesem abnimmt, so konzentriert sich die elektrische ι Feldenergie in den beiden dielektrischen Elementen, abgesehen von den Metallelementen 91 und 93.

Wenn die Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen Materialien bei einem Temperaturanstieg größer und kleiner werden, beispielsweise bei Verwendung von

ίο TiO₂ und LiNbO₃ für die dielektrischen Elemente 81 und 83, nimmt die magnetische Energie im dielektrischen Element 81, d. h. im TiO₂ zu, und die elektrische Energie in diesem Element 81 nimmt ab, wenn das Metallelement 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.

Infolgedessen nimmt der Beitrag des dielektrischen Elementes 81 zur Rexnnan/frenuenz ah. 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

y> d.is Metallelement 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 LiNbO₃ 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 das Metallelement 91 gegen das dielektrische Element 81 oder das Melallelement 93 gegen das dielektrische Element 83 bewegt wird, läßt sich somit der Temperaturgradient der Resonanzfrequenz des zusammengesetzten, dielektrischen Resonators entweder im negativen odei positiven Sinne einstellen.

Damit die Resonanzfrequenz bei einer gewissen Temperatur konstant bleibt, sollte das Metallelement 93

•»5 vom dielektrischen Element 83 wegbewegt werden, wenn das Metallelement 91 gegen das. dielektrische Element 81 bewegt wird, und umgekehrt Die vorherige Einstellung macht den Temperaturgradienten der Resonanzfrequenz negativ, und die letztere Einstellung

so macht ihn positiv.

F i g. 17 zeigt Kurven für verschiedene Distanzkombinationen zwischen Zapfen und zugehörigem dielektrischen Element, wenn die Resonanzfrequenz konstant eingestellt wird. Der Abstand Ai zwischen dem dielektrischen Element 81 und dem Metallelement 91 und der Abstand A₂ zwischen dem dielektrischen Element 83 und dem Metallelement 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 h\!2a bzw. hJ2a 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 a des dielektrischen Elementes. Ein Punkt P des Temperaturgradienten bei der Resonanzfrequenz 0 erhält man durch Verbinden der Mittelpunkte der

Il

Kurven. Der Temperaturgradient der Resonanzfrequenz nimmt negative Werte an, wenn die Abstände /j|/2a und hi'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 /wischen dem Metallelement und dem dielektrischen Element, wie oben beschrieben, so eingestellt, daß die Abweichung der Resonanzfrequenz infolge der Temperaturänderung durch die Veränderung des Temperaturverlaiifs 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 T1O2, also einen einfachen Resonator, während die ausgezogene Kurve Il einen zusammengesetzten dielektrischen Resonator gemäß Fig. 13 der Erfindung zeigt. Der Ve-gleich der Kurven I und Il 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 Resonanzfrequenz auf 200 kHz im Temperaturbereich von —20 bis +80°C in einem Frequenzband von 10 GH2 begrenzt ist, wenn die beiden Metallelemente 91 und 93 entsprechend eingestellt werden. Der Temperaturverlauf dieser Alisführungsform ist in F i g. 19 gezeigt.

F i g. 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 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-FIächen 105 und 107 kreuzen, sind die Elemente 113 und 115 einstellbar angeordnet zur Veränderung des Abstandes zwischen den dielektrischen Elementen 101 und 103 bzw. den Elementen 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 werde.i. 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. Dieser 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

r> 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 Elemente 143 b/w. 145 aus Metall geschraubt, so daß diese Metallelemente 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 Fig. 20 in einem abgeschnittenen Hohlleiter angeordnet, an den Ein- und Ausgangskreise angeschlossen werden.

üi Entsprechend der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine Feineinstellung der Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz auch erreicht werden durch Veränderung des Abstandes zwischen den Metallelementen und den dielektrischen Elementen, was

η eine sehr einfache Einstellmöglichkeit ergibt. Bei Anwendung des Typs TEo\ auf den zusammengesetzten dielektrischen Resonator gemäß der Erfindung fließt ein induzierter Strom auf der Abschirmplatte in Kreisrichtung des Metallelements, so daß kein Leitungsverlust

4n durch die Einstellbewegung ues Metallelements eintritt.

Die Feineinstellung der Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz kann deshalb ohne Verringerung des (^-Wertes erfolgen.

Die Erfindung bietet darüber hinaus den Vorte.: der

4i Einstellung des Temperaturgradienten der Resonanzfrequenz ebenso wie auch der Resonanzfrequenz selbst. Das bedeutet, daß der Temperaturgradient bei gegebener Frequenz auf 0 einstellbar ist.

Hier/u ') Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dielektrischer Resonator mit mindestens zwei Elementen entgegengesetzten Temperaturverhaltens, von denen wenigstens eines ein dielektrisches Element ist und bei dem die Elemente an einer Kontaktfläche zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elemente dielektrische Elemente (81, 83) mit entgegengesetzt temperaturabhängiger, relativer Dielektrizitätskonstante sind, daß zur Steuerung der magnetischen Feldkomponente in den dielektrischen Elementen (81,83) zwei Metallelemente (91,93) gegenüber den Resonatoraußenflächen einstellbar angeordnet sind und daß die beiden Metallelemente (91, 93) in zwei, Massepotential aufweisende Abschirmplatten (73, 75) geschraubt und einstellbar sind, die die äußere Zelle des durch eine Leitung (71) angeregten Resonators rfirstellen.

2. Resonator nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als dielektrische Werkstoffe TiO₂ und LiNbO₃ gewählt sind.

3. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Elemente (81,83) aus übereinander angeordneten, rechteckigen Elementen bestehen.

4. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielek irischen Elemente (81,83) aus übereinander angeordneten, flachen scheibenförmigen Elementer bestehen.