DE2538836A1

DE2538836A1 - Dielektrischer resonator

Info

Publication number: DE2538836A1
Application number: DE19752538836
Authority: DE
Inventors: Yoichi Kaneko; Katsuhiro Kimura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-09-02
Filing date: 1975-09-01
Publication date: 1976-03-11
Also published as: US4019161A; JPS5127757A

Description

Priorität: 2. September 1974, Japan, Kr. 99 949

Dielektrischer Resonator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen dielektrischen Resonator, und insbesondere eine Vorrichtung für den Temperaturausgleich in einem dielektrischen Resonator.

In letzter Zeit wurden dielektrische Werkstoffe mit kleinem Verlustwinkel bzw. kleinem Verlustfaktor tan S" entwickelt. Die neuen dielektrischen Werkstoffe können auch so hergestellt werden, dass die Temperatur-Kennlinie der Dielektrizitätskonstanten entweder in negativer oder in positiver Richtung verläuft, dass also die Dielektrizitätskonstante bei zunehmender Temperatur· entweder grosser oder kleiner, bzw. bei abnehmender Temperatur entweder kleiner oder grosser wird.

Bei Resonatoren mit einfachem Aufbau sind ebenfalls bereits dielektrische Werkstoffe verwendet worden.

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Dielektrische Resonatoren sind seit langem bekannt und beispielsweise in der Druckschrift "PROCEEDINGS OP THE IRE, Oktober 1962, 'Seite 2081-2092, The Dielectric Microwave Resonator, von A. Okaya und L. F. Barash.", beschrieben.

Ein dielektrische Resonator kann aus einem aus dielektrischem Material bestehenden Teil mit Zylinder- oder Rechteckform hergestellt werden. Die Resonanzfrequenz eines solchen dielektrischen Resonators wird durch die Dielektrizitätskonstante, die Abmessungen und die Form des Resonators festgelegt.

Gegenüber Hohlraumresonatoren aus Metall, die als Mikrowellen-Resonatoren Verwendung finden, weisen dielektrische Resonatoren viele Vorteile auf. Beispielsweise besitzt ein dielektrischer Resonator kleine Abmessungen, kleine dielektrische Verluste, er ist unempfindlich gegenüber einem konstanten magnetischen Feld und ermöglicht ein starkes Hochfrequenz-Magnetfeld in einem kleinen Volumen.

Ein dielektrischer Resonator besitzt jedoch einige Nachteile, beispielsweise ändert sich die Resonanzfrequenz, weil sich die Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit der Temperatur ändert. Darüberhinaus treten Schwierigkeiten bei der Herstellung von dielektrischen Resonatoren insbesondere dadurch auf, dass es schwierig und kostspielig ist, die dielektrischen Teile genau gleich auszubilden.

Daher müssen Resonanzfrequenz-Schwankungen oder Resonanzfrequenz-Verschiebungen, die bei Temperaturschwankungen auftreten können, kompensiert werden.

Es sind bereits einige Verfahren bekannt, Resonanzfrequenz-Schwankungen, die bei TemperaturSchwankungen auftreten, auszugleichen. Eines dieser bekannten Verfahren sieht in der Fähe des dielektrischen Resonatorelementes eine Wärmesenke vor, bzw. es wird Wärme vom dielektrischen Resonatorelement abgeführt. Bei einem anderen bekannten Verfahren wird ein dielektrisches Reso-

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natorelement mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten verwen-• det, das aus verschiedenen dielektrischen Werkstoffen zusammengesetzt ist.

Diese bekannten Verfahren sind jedoch nicht immer anwendbar, weil sie sehr teuer und sehr aufwendig sind, und weil mit diesen bekannten Verfahren keine genau arbeitenden Resonatoren hergestellt werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen frequenzstabilisierten dielektrischen Resonator zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemässe dielektrische Resonator ermöglicht eine Frequenzstabilisierung, ohne dass dadurch die Vorteile bekannter dielektrischer Resonatoren aufgegeben werden müssten. Darüberhinaus kann der erfindungsgemässe dielektrische Resonator insbesondere gut bei integrierten Mikroschaltungen (MIC) verwendet werden. Die erfindungsgemässen dielektrischen Resonatoren sind weiterhin sehr einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar und gegenüber Temperaturschwankungen unempfindlich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielsweise näher- erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A einen bekannten dielektrischen Resonator in Aufsicht, Fig. 1B einen Querschnitt entlang der in Fig. TA angegebenen

Schnittlinie A-A,
Fig. 2 ein Diagramm, das die Temperatur-Kennlinien des in den Fig. 1A und 1B dargestellten Resonators wiedergibt,

■ Fig. J und 6 Querschnitte durch Ausführungsformen des erfindungsgemässen Resonators,

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Pig. 4- ein Diagramm, das die Resonanzfrequenz-Änderung des in Fig. 3 dargestellten dielektrischen Resonators in Abhängigkeit von einer Änderung des Abstandes d wiedergibt,

Fig. 5 und 7 Diagramme, die die Resonanzfrequenz-Verschiebungen der in den Fig. 3 und 6 dargestellten Resonatoren in Abhängigkeit der Temperatur wiedergeben.

Die Fig. 1A und 1B zeigen einen üblichen dielektrischen Resonator in seinem Grundaufbau. Ein Teil aus dielektrischem Werkstoff 3» nämlich das dielektrische Resonatorelement, ist auf einer Oberfläche eines Plättchens 1 einer integrierten Mikroschaltung (nach-folgend kurz als MlC-Plättchen 1 bezeichnet) in der Nähe eines Streifenleiters 2 angebracht, der ebenfalls auf dem MIC-Plättcnen 1 vorgesehen ist.

Die Arbeitsweise des dielektrischen Resonators ist allgemein bekannt und beispielsweise auch in der zuvor angegebenen Druckschrift beschrieben, so dass die Arbeitsweise hier nicht beschrieben zu werden braucht.

Wie bereits beschrieben, weisen diese Resonatoren bei der Verwendung als Mikrowellen-Resonatoren viele Vorteile auf, sie sind jedoch sehr empfindlich gegenüber Temperatureinflüssen.

In Fig. 2 wird anhand von zwei Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinien beispielsweise dargestellt, wie die Resonanzfrequenz des in den Fig. IA und 1B dargestellten dielektrischen Resonators sich mit der Temperatur ändert. Auf der Abszisse ist die Temperatur in Grad Celsius und auf der Ordinate ist die Resonanzfrequenz-Verschiebung aufgetragen, wobei etwa bei Zimmertemperatur, also bei einer Temperatur von 20° C,der Nullpunkt für die Resonanzfrequenz-Verschiebung liegen soll.

Die beiden eingezeichneten Kurven 5 und 6 geben wieder, dass beide Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinien des dielektrischen Resonators jeweils einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen, d. h. die Resonanzfrequenz steigt mit zunehmender Temperatur an.

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Da der Temperaturkoeffizient von der Dielektrizitätskonstanten .und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des dielektrischen Werkstoffs abhängt, kann durch Wahl des dielektrischen Werkstoffes auch ein dielektrischer Resonator mit negativem Frequenz-Temperatur-Koeffizienten hergestellt werden.

Im praktischen !Falle ist es jedoch mit den üblichen Herstellungsverfahren, mit denen die dielektrischen Werkstoffe gefertigt werden, sehr schwierig, dielektrische Resonatorelemente mit einer gleichförmigen Kennlinie herzustellen, bei denen sich die Resonanzfrequenz also nicht mit der Temperatur verschiebt.

Der kleinste bei üblichen dielektrischen Resonatoren erreichbare Temperaturkoeffizient (oder die kleinste Änderung der Resonanzfrequenz pro Grad Celsium) beträgt etwa 3 Hz/°C, und es ist sehr schwierig, den Temperaturkoeffizienten des Resonators durch Wahl des dielektrischen Werkstoffes zu verbessern.

Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass eine einfache Vorrichtung zum Frequenzausgleich geschaffen und eingesetzt wird.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Ausführungsform. Der dielektrische Resonator besitzt ein MIC-Plättchen 1, einen Streifenleiter 2 und ein dielektrisches Element 3· Dieser Aufbau entspricht im wesentlichen dem Aufbau des in den Fig. 1A und 1B dargestellten Resonators. Bei dem in Fig. 3 dargestellten dielektrischen Resonator besteht das MIC-Plättchen aus Tonerde (A^CO mit einer dünnen Goldschicht (Au) auf der Rückseite.

Auf der anderen Oberfläche des Aluminiumoxid-Plättchens 1 sind ein Leiterstreifen 2 und ein dielektrisches Resonatorelement 3 aufgebracht.

Das dielektrische Resonatorelement ist aus einem Titanoxid (TiO₂) enthaltenden keramischen Werkstoff hergestellt, der klei-

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ne dielektrischen Verluste oder einen kleinen Verlustfaktor tan .aufweist. Das dielektrische Resonatorelement besitzt eine feste, rechteckförmige Gestalt.

Bei dieser Atisführungsform ist weiterhin zur Einstellung des Resonanzfrequenz eine Schraube, an deren innerem Ende ein kleines Metallscheibchen 7 angebracht ist, sowie ein aus zwei Teilen 8 und 9 bestehendes Halterungsteil vorgesehen, das die Schraube 10 nahe der oben liegenden Oberfläche des dielektrischen Elementes 3 hält.

Die Abmessungen und der Werkstoff des Halterungsteils sind so gewählt, dass die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators sich bei Temperaturschwankungen nicht ändert.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform besteht der eine Teil 9 der Halterung aus einer Aluminiumscheibe und der andere Teil 8 aus einem Röhrchen aus Polytetrafluoräthylen (Teflon). Die.eine Seite des Teiles 8 ist an der einen Fläche des MlC-Pläti;ehens 1 befestigt und auf der anderen Seite des Teiles 8 liegt das andere Teil 9 der Halterung.

Wird bei de£ in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Abstand d zwischen der Scheibe 7 und der einen Oberfläche des dielektrischen Elementes 3 durch Drehen der Schraube vonhand verändert, ohne dass sich die Temperatur in der Umgebung des Elementes 3 ändert, so ändert sich die Resonanzfrequenz dieser Ausführungsform in der in Fig. 4- dargestellten Weise.

Das Material und die Abmessungen sind bei der in Fig. 3 dargestellten Ausfiihrungsform also so gewählt, dass Änderungen der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators bei Temperatur- , Schwankungen durch automatisches Verändern des Abstandes d zwischen der Scheibe 7 cmd der oberen Fläche des dielektrischen Elementes 3 ausgeglichen werden können, und zwar dadurch, dass durch die Änderung des Abstandes d die Wärmeausdehnung ausgeglichen wird.

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Ha also die Resonanzfrequenz f des dielektrischen Resonators durch den Werkstoff und die Abmessungen des dielektrischen Elementes 3 festgelegt ist und der Abstand d und die Frequenz f temperaturabhängig sind, müssen der Werkstoff und die Abmessung der Halterung 8, 9 - um die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators auch bei Auftreten von TemperaturSchwankungen automatisch konstanz zu halten,- so gewählt werden, dass die Phasenverschiebung Af^ des Resonators, die bei einer von der Wärmeausdehnung der Halterung abhängigen Änderung der Relativabstandes zustande kommt, der Fr e quenz verschiebung'· £ f+- i die auf das dielektrische Resonatorelement selbst zurückzuführen ist, entgegenwirken kann.

Aus dem zuvor beschriebenen Grunde werden der Werkstoff und die Abmessungen der Halterung der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform entsprechend der näherungsweise geltenden Beziehung

festgelegt, wobei I_x, die Länge des Halterungsteils 8, die Länge I₂ die Länge des dielektrischen Elementes 3 und I₇- der innerhalb der Halterung befindliche Teil der Schraube jeweils . senkrecht zur Ebene des MIC-Plättchens ist, und wobei B^ der Wärmeausdehnungskoeffizient des Halterungsteils 8, B₂ der Wärmeausdehnungskoeffizient des dielektrischen Elements 3 und ß, der Wärmeausdehnungskoeffizient der Schraube, und A,t die TemperaturSchwankung ist.

Weiterhin gilt

_α _ ,^τ ₌ SL = - α Cl B -1 ß~-l ß ") (2)

Hierbei ist α. ein Koeffizient für die Resonanzfrequenzänderung des dielektrischen Resonatorelement selbst, die bei Temperaturschwankungen auftritt, und cc^ ein Koeffizient der Resonanzfrequenzänderung des dielektrischen Resonators, die auf Grund einer Änderung des Abstandes d auftritt. Oder mit anderen Worten, die

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Koeffizienten α. und α^ sind die Gradienten der in Fig. 2 · bzw. in Fig;-· 4- aufgetragenen Kurven.

Wenn l^ß^ ^IpBo⁺¹^x ist, lässt sich die Gleichung (2) durch folgende Gleichung ersetzen:

^at = -

5 gibt¹ die experimentell ermittelte Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von TemperaturSchwankungen bei dem erfindungsgemässen dielektrischen Resonator wieder. In Fig. 5 ist auf der Abszisse die Temperatur in Grad Celsium und auf der Ordinate die Frequehzverschiebung in MHz aufgetragen. Die gestrichelte Linie 12 gibt die in Abhängigkeit von der Temperatur auftretende Änderung der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonatorelements selbst wieder und stimmt im wesentlichen mit der Linie 6 von Fig. 2 überein. Die andere gestrichelte Linie 13 gibt die von der Temperatur, abhängige Änderung der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators wieder, wobei am dielektrischen Element keine Resonanzfrequenzänderung vorgenommen wird. Die ausgezogene Linie 14 zeigt die Gesamtabhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Temperatur bei dem dielektrischen Resonator. Die Resonanzfrequenz bleibt also in einem Bereich von -30 C bis 60° C konstant.

Der dielektrische Resonator, bei dem die in Fig. 5 dargestellten Kennlinien gemessen wurden, besitzt folgende Abmessungen und Parameterwerte:

Resonatormode . TE/^ oder

Gewünschte Frequenz 11,65 + 0,0035

Temperaturbereich -30 yv/60°C

Dielektrisches Element

,Werkstoff TiO-MaO-CaO-LaO

;■ Abmessungen 5,2x5,2x5,2 mm⁵

Elektrizitätskonafcante — β =22( 1-1Ö"⁶-Ob)

6 ü 9 8 1 1 / C) 7 3 9

Halterungsteil Fo rm Röhrchenlänge Innendurchmesser

Aussendurchmesser Werkstoff Wärmeausdehnungskoeffizient

zylinderformiges Röhrchen 1,5 cm 1,47 cm 1,6? cm

Polytetrafluoräthylen ß = 1 χ 10"V°G

Obgleich, eine Ausführungsform beschrieben wurde, bei der das dielektrische Resonatorelement 3 einen positiven Temperaturkoeffizienten (a^ = · > 0) aufweist, lässt sich die Erfindung auch bei dielektrischen Resonatoren anwenden, die ein dielektrisches Resonatorelement mit einem negativen Temperaturkoeffizienten

j C°) besitzen. Diese letztgenannte Ausführungsform ist in Pig. 6 dargestellt.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemässen dielektrischen Resonator. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das dielektrische Resonatorelement 15 auf der Oberfläche eines MIC-Plättchens 17 angebracht, das aus Aluminiumoxid besteht und Teil eines Aluminiumoxidgehäuses 18 ist. Das hier verwendete dielektrische Resonatorelement 15 besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten (d. h., dass die Resonanzfrequenz mit zunehmender Temperatur kleiner wird, wie dies zuvor bereits beschrieben worden ist).

Eine Metallscheibe 19 befindet sich im Kittelbereich, durch die eine.Schraube zur Frequenzeinstellung hindurchgeht. Die Metallscheibe 19 wird von einer Halterung gehalten, die aus einem Röhrchen 20 aus Polytetrafluoräthylen besteht. Die obere Seite des Röhrchens 20 ist mit einer Metallplatte oder mit einer Abschlussplatte 22 verbunden. Der Werkstoff und die Abmessungen der Halterung 20 werden gemäss den folgenden, näherungsweise geltenden Beziehungen (3) gewählt

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- ,1.0 -

α_? ist der Temperaturkoeffizient des dielektrischen Resonatorelementes 15* ■ %ji die .!länge der Halterungsteils 20 und Ij- die Länge des Gehäuses 13, Jeweils senkrecht zum MIC-Plättchen 17 gemessen, und ß^ der Wärmeausdehnungskoeffizient des Halterungsteils 20 und ße-der Wärmeausdehnungskoeffizient des Gehäusewerkstoffes 16.

In Fig. 7 ist die experimentell ermittelte Kennlinie für die in Fig. 6 dargestellte Äusführungsform des dielektrischen Resonators wiedergegeben. Die gestrichelte Linie 25 gibt die Resonatorfrequenzänderung des dielektrischen Resonatorelementes 15 selbst in Abhängigkeit der Temperatur wieder, die andere gestrichelte Linie 24- zeigt die Resonanzfrequenzänderung bei konstant gehaltener Temperatur in Abhängigkeit von einer Änderung des Abstandes d. Und die ausgezogene Linie 23 ist dann die Resonanzfrequenz dieser Äusführungsform, d. h. die Gesamtresonanzfrequenz-Kennlinie des dielektrischen Resonators.

Bei den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen wird die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonanzelementes selbst auf Grund von Temperaturschwankungen verändert. Wenn jedoch ein dielektrischer Resonator verwendet wird, der ein von der Temperatur unabhängiges dielektrisches Element besitzt, so kann auch in diesem Falle die vorliegende Erfindung mit grossem Vorteil angewandt werden, weil auch dann, wenn die dielektrischen Werkstoffe selbst temperaturunabhängig sind, es dennoch sehr schwierig ist, dielektrische Elemente mit festgelegten Eigenschaften herzustellen. Es ist daher notwendig, Frequenzeinstellgliedei* vorzusehen, um die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators auf die gewünschte Frequenz einzustellen. In diesem Falle wirken sich die Temperaturschwankungen auf die Halterung, die das Einstellglied haltert, aus.

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Selbstverständlich können für die Halterung auch andere Werkstoffe, Formen und Abmessungen verwendet werden, als dies bei den hier beschriebenen Ausführungsformen dargestellt wurde. Für die Halterung können verschiedene gebräuchliche Werkstoffe, verwendet v/erden, beispielsweise Kunststoffe mit grossem Wärmeausdehnungskoeffizienten, etwa . Polytetrafluorethylen, Polyäthylen, metallische Werkstoffe mit kleinen Temperaturausdehnungskoeffizienten, etwas Gold, Silber, Kupfer, oder auch andere Werkstoffe mit noch kleinerem Temperaturausdehnungskoeffizienten, etwa Quartz, Inver, oder andere Werkstoffe. Als Formen für die Halterung können auch rechteckförmige oder quadratische Röhrchen, parallel zueinander angeordnete Röhrchen, L-förmige Ausführungen, brückenförmige Halterungen oder andere Halterungsformen verwendet werden. Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass bei der Wahl des Werkstoffs, der Form und der Abmessungen der Halterung die Resonanzfrequenz, der Q-Wert, die Temperatur des Resonators und andere Schaltungsparameter in Betracht gezogen werden müssen.

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Claims

Ansprüche

Dielektrischer.Resonator, gekennzeichnet durch ein auf dem Plättchen einer integrierten Mikroschaltung angebrachtes dielektrisches Resonatorelement, ein Frequenzeinstellglied (Ί0), zur Einstellung der Resonanzfrequenz von Hand, eine das Frequenzeinstellglied (10) halternde Halterung (8, 9) in der Nähe des dielektrischen Resonatorelementes (3), wobei die Abmessungen und die Werkstoffe derart vorgegeben werden, dass die Halterung (8, 9) lagemässig so festgelegt sind, dass die auf Grund von einer Wärmeausdehnung bei Temperaturschwankungen auftretende Resonanzyerschiebung ausgeglichen wird.
2. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzeinstellglied (10) eine Schraube ist.
3- Dielektrischer Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (10) eine Metallplatte (7) mit einer Plattenabmessung aufweist, die im wesentlichen gleich der Abmessung der oberen Fläche des dielektrischen Resonatorelementes (3) ist.
4. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, dass der Koeffizient, der die Änderung der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonatorelementee (3)'in Abhängigkeit von der Temperatur angibt, positiv ist, und dass die Wärmeausdehnung der Halterung (8, 9) iß senkrechter Richtung zum Plättchen (1) der integrierten Mikroschaltung proportional zum Temperaturanstieg zunimmt.
5. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (8, 9) einen aus Polytetrafluoräthylen hergestellten Abschnitt, der sich senktrecht zum Plättchen (1) der integrierten Mikroschaltung erstreckt, aufweist.

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6. Dielektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, dass der Koeffizient, der die Änderung der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonatorelementes (5) in Abhängigkeit von der Temperatur angibt, negativ ist, und dass die Halterung derart ausgebildet ist, dass der Abstand (d) zwischen dem Frequenzeinstellglied (10) und einer Oberfläche des dielektrischen Resonatorelementes (3) proportional zum Temperaturanstieg grosser wird.