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Hintergrund
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Mikrowellen-Resonatoren und -filter. Insbesondere betrifft die Erfindung
Einzel-Mehrschwingungsresonatoren in Form dielektrischer Resonatoren
oder Hohlraumresonatoren.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Ein Mikrowellen-Resonator ist eine
Vorrichtung, die mit einem elektromagnetischen Feld in Resonanz
tritt. Die Größe und Form
des Resonators legen eine bestimmte Frequenz fest, bei der der Resonator
mit elektrischen und magnetischen Signalen in Resonanz tritt. Diese
Resonanz bei der bestimmten Frequenz wird durch den periodischen
Austausch von Energie zwischen den elektrischen und magnetischen
Feldern erreicht, die die elektrischen und magnetischen Signale
tragen, die durch den Resonator hindurch treten. Die niedrigste
Frequenz, bei der es im Resonator zur Resonanz kommt, ist die Grundschwingung
des Resonators, und ist im allgemeinen die Frequenz, die für eine Anwendung
des Resonators von Interesse ist. Schwingungen höherer Ordnung oder Nebenschwingungen
können
mit der Grundschwingung überlagern.
Daher ist es wünschenswert,
solche Schwingungen, die außerhalb der
Grundschwingungsfrequenz liegen, aus den elektromagnetischen Signalen
durch Filterung der Signale auszufiltern.
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Einzelresonatoren werden am häufigsten
als Frequenzmeßgeräte und Frequenzstandards
verwendet. Eine Vielzahl von Einzelresonatoren kann kaskadenförmig zusammengeschaltet
werden, wobei ein Mikrowellenfilter gebildet wird. In einer kaskadenförmigen Resonatorfilteranordnung
ist ein einzelner Resonator elektromagnetisch an einen anderen Resonator über eine
kleine Blende oder eine Leitung gekoppelt. Im Allgemeinen ist der
resultierende Filter ein Durchgangsfilter für das Frequenzband, das durch
den Filter tritt. Resonatoren können
dort aufgebaut werden, wo die Form des Resonators mehrere Schwingungen
unterstützt.
Angrenzende Resonatoren können
linear angekoppelt werden, um einen Filter zu bilden, oder alternativ
dazu können
nicht-angrenzende Resonatoren aneinander gekoppelt werden, wobei
quasi-elliptische Filter gebildet werden.
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In 1 ist
ein dielektrischer Einschwingungsresonator 2 gezeigt, wie
er aus dem Stand der Technik bekannt ist. In dieser bekannten Struktur
ist eine zylindrische Scheibe 4 auf einer Auflage 6 in
einem Gehäuse 8 befestigt.
Innerhalb der Scheibe 4 werden ein magnetisches Feld und
ein elektrisches Feld angeregt. Der Resonator 2 speichert
elektrische und magnetische Energie innerhalb des Gehäuses 8. Die
Resonanz wird durch den periodischen Austausch von Energie zwischen
den elektrischen und magnetischen Feldern erreicht. Diese Konfiguration des
Resonators unterstützt
jedoch in der Scheibe 4 bei einer bestimmten Resonanzfrequenz
nur ein bestimmtes Feldmuster 10. Zusätzlich ist diese Struktur auch
relativ groß.
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2A–2D sind Darstellungen eines
dielektrischen Zweischwingungsresonators, wie er ebenfalls aus dem
Stand der Technik bekannt ist. Wie in 2 gezeigt,
kann eine ähnliche
Struktur, die als Zweischwingungsresonator 12 wirkt, zwei
verschiedene elektrische und magnetische Feldmuster 14 und 16 unterstützen. Die
zwei Schwingungen sind zueinander orthogonal, und daher wird keine
Energie zwischen diesen Schwingungen ausgetauscht. Die zwei Schwingungen
können
dadurch aneinander gekoppelt werden, dass eine kleine Störung eingefügt wird,
die die Symmetrie der Felder bricht. Solch eine Störung kann
durch eine Abstimmschraube 18 erzeugt werden. Dieser Resonatortyp
kann zwar die Unterdrückung
von Störfrequenzen
steigern, er ist aber immer noch groß.
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3A–3C sind Darstellungen eines
dielektrischen Einschwingungsresonators, der eine elektrische Wand
verwendet, und der ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Dieser dielektrische Einschwingungsresonator 22 tritt innerhalb
der Halbscheibe 24 mit einer Frequenz in Resonanz. Die
dielektrische Halbscheibe 24 ist auf einer Wand 26,
die elektrisch leitet, befestigt. Die elektrisch leitende Wand bildet
die andere Hälfte
des Resonators elektromagnetisch ab, genauso wie ein optischer Spiegel eine
optische Figur abbildet. Dieser Resonator 22 reduziert
die Größe des Resonators
auf ungefähr
die Hälfte
des dielektrischen Einschwingungsresonators der 1. Dort wird jedoch nur eine Schwingung
innerhalb des kleineren dielektrischen Filters 22 unterstützt, die
ein elektrisches Feld 28 senkrecht zur elektrischen Wand 26 besitzt.
Die elektrische Wand muss aus einem verlustbehafteten Leiter hergestellt
sein und erhöht
dadurch den Energieverlust innerhalb des Resonators 22.
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Zusammenfassung
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Es wird ein dielektrischer Resonator
zur Verfügung
gestellt, der einen Hohlraum, eine dielektrische halbscheibenförmige Resonatorstruktur
und eine Auflage für
die halbscheibenförmige
Resonatorstruktur besitzt. Die Auflage isoliert die dielektrische halbscheibenförmige Resonatorstruktur
von den Wänden
des Hohlraums. Eine gerade Kantenwand der dielektrischen halbscheibenförmigen Resonatorstruktur
ist innerhalb des Hohlraums an eine dielektrische/Luft-Ankopplung
gekoppelt und bildet nährungsweise
eine magnetische Wand. Die nährungsweise
magnetische Wand bildet das elektrische Feld senkrecht zur geraden
Kantenwand ab und unterstützt
innerhalb der halbscheibenförmigen
Resonatorstruktur ein elektrisches Einschwingungsfeld. Mehrere halbscheibenförmige Resonatorstrukturen können innerhalb
des Hohlraums ausgerichtet werden, um andere, dazu orthogonal stehende
elektrische Felder zu unterstützen.
Mehrere Hohlräume können durch
Blenden aneinander gekoppelt werden, die auf den Wänden des
Hohlraumes gebildet werden.
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Eine Ausführung der Erfindung stellt
einen dielektrischen Resonator zur Verfügung, der ein Hohlraumgehäuse umfasst,
eine Auflage, die innerhalb des Hohlraumgehäuses befestigt ist und eine
dielektrische halbscheibenförmige
Resonatorstruktur. Die dielektrische halbscheibenförmige Resonatorstruktur
ist auf der Auflage befestigt und hat eine gerade Kantenwand. Die
dielektrische halbscheibenförmige
Resonatorstruktur tritt mit einem elektrischen Feld in Resonanz,
das senkrecht zu der geraden Kantenwand ausgerichtet ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung stellt
einen dielektrischen Resonator zur Verfügung, der ein Hohlraumgehäuse umfasst,
eine Auflage, die innerhalb des Hohlraumgehäuses befestigt ist, und eine
erste und zweite dielektrische halbscheibenförmige Resonatorstruktur. Die
erste dielektrische halbscheibenförmige Resonatorstruktur ist
auf der Auflage befestigt und hat eine erste gerade Kantenwand. Die
zweite dielektrische halbscheibenförmige Resonantorstruktur hat
eine zweite gerade Kantenwand, die so angeordnet ist, dass die zweite
gerade Kantenwand vom Hohlraumgehäuse isoliert ist. Jede der dielektrischen
halbscheibenförmigen
Resonatorstrukturen tritt mit einem elektrischen Feld in Resonanz.
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Noch eine weitere Ausführung der
Erfindung stellt einen dielektrischen Resonator zur Verfügung, der
eine Vielzahl von Hohlräumen
umfasst, eine Hohlraumwand, die mindestens zwei der Hohlräume von
einander trennt und eine Blende, die auf der Hohlraumwand gebildet
wird, die die zwei Hohlräume aneinander
koppelt. Jeder der Hohlräume
besitzt eine dielektrische halbscheibenförmige Resonatorstruktur, die
so befestigt sind, dass eine gerade Kantenwand der dielektrischen
halbscheibenförmigen Resonatorstruktur
von der Hohlraumwand isoliert wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1A–1C sind Darstellungen eines
dielektrischen Einschwingungsresonators, wie er aus dem Stand der
Technik bekannt ist.
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2A–2D sind Darstellungen eines
dielektrischen Zweischwingungsresonators, wie er gleichfalls aus
dem Stand der Technik bekannt ist.
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3A–3C sind Darstellungen eines
dielektrischen Einschwingungsresonators, der eine elektrische Wand
verwendet und der gleichfalls aus dem Stand der Technik bekannt
ist.
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4A–4C sind Darstellungen eines
dielektrischen Einschwingungsresonators gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5A–5C sind Darstellungen eines
dielektrischen Mehrschwingungsresonators gemäß einer bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung.
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6A–6C sind Darstellungen eines
dielektrischen Mehrschwingungsresonators gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung.
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7A–7C sind Darstellungen eines
dielektrischen Mehrschwingungsresonators gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und
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8 ist
ein Beispiel für
einen Mehrhohlraumresonator.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
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Nun den Figurenzeichnungen zukehrend, die
anschaulich verschiedene Beispiele der vorliegenden Erfindung darstellen,
sind 4A–4C Darstellungen eines dielektrischen
Einschwingungsresonators 50. Der Resonator 50 beinhaltet
eine halbscheibenförmige
Resonatorstruktur 52, die auf einer Auflage 54 innerhalb
eines Hohlraumgehäuses 56 befestigt
ist. Die Auflage 54 trennt die halbscheibenförmige Resonatorstruktur 52 vom
Gehäuse 56,
und trennt daher die halbscheibenförmige Resonatorstruktur 52 von
den elektrisch leitenden Wänden
des Gehäuses 56.
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Die halbscheibenförmige Resonatorstruktur 52 ist
vorzugsweise aus einem dielektrischen Material hergestellt und unterstützt ein
elektrisches Feld 58. Eine ebene Kantenwand 60 der
halbscheibenförmigen
Resonatorstruktur 52 kommuniziert mit einer dielektrischen/Luft-Ankopplung 64.
Die dielektrische/Luft-Ankopplung 64 nähert eine magnetische Wand
für die
halbscheibenförmige
Resonatorstruktur an, und erzeugt ein elektromagnetisches Abbild
des elektrischen Feldes 58 innerhalb der halbscheibenförmigen Resonatorstruktur 52.
Die dielektrische/Luft-Ankopplung 64 kombiniert
daher das Abbild des elektrischen Feldes 58 und des tatsächlichen elektrischen
Feldes 58 innerhalb der halbscheibenförmigen Resonatorstruktur 52,
um die Eigenschaften des ganzscheibigen Resonators anzunähern, wie es
in den 1 und 2 gezeigt ist. Da die magnetische Wand
nur nährungsweise
eine magnetische Wand ist, und nicht eine echte magnetische Wand,
weicht der Resonator von der Mittelfrequenz mit einer kleinen Frequenzverschiebung
ab, die oberhalb der Mittelfrequenz liegt.
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Während
die halbscheibenförmige
Resonatorstruktur 22 der 3 eine
nährungsweise
elektrische Wand 26 verwendet, um das magnetische Feld auf
die halbscheibenförmige
Resonatorstruktur 22 abzubilden, verwendet die halbscheibenförmige Resonatorstruktur 52 der 4 die dielektrische/Luft-Ankopplung 64,
um eine magnetische Wand zu bilden, und nun das elektrische Feld
parallel zu der magnetischen Wand abzubilden. Der Resonator 52 verliert
daher keine Energie durch eine verlustbehaftete elektrische Wand.
Die Halbscheibe 52 kann daher eine einzelne Schwingung
im Hohlraum 56 unterstützen,
und speichert mehr Energie als ein Resonator, der eine nährungsweise
elektrische Wand aufweist.
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5A–5C sind Darstellungen eines
dielektrischen Mehrschwingungsresonators gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Mehrschwingungsresonator beinhaltet erste
und zweite halbscheibenförmige
Resonatorstrukturen 70 und 72, die auf einer Auflage 74 innerhalb
eines Hohlraumgehäuses 76 befestigt
sind. Die Auflage 74 trennt die Halbscheiben 70 und 72 vom Gehäuse 76,
und trennt daher die Halbscheiben 70 und 72 von
den elektrisch leitenden Gehäusewänden 76 ab.
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Jede Halbscheibe 70 und 72 hat
eine dielektrische/Luft-Ankopplung 78 und 80,
die nährungsweise
eine magnetische Wand bilden. Diese magnetischen Wände sind
zueinander orthogonal ausgerichtet, so dass die halbscheibenförmigen Resonatorstrukturen 70 und 72 jeweils
eine Schwingung eines elektrischen Feldes unterstützen können. Diese Schwingungen
wären daher
zueinander orthogonal ausgerichtet. Die orthogonalen Schwingungen
können
durch Ausrichtung der relativen Lagen der halbscheibenförmigen Resonatorstrukturen 70 und 72 einander
gekoppelt werden, so dass durch Ausrichtung der relativen Lage der
magnetischen Wände und Überlappung
der magnetischen Wände
der Kopplungskoeffizient zwischen den Resonatoren 70 und 72 gesteuert
werden kann.
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6 und 7 sind Darstellungen eines
Paares von dielektrischen Mehrschwingungsresonatoren gemäß weiterer
bevorzugter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Bezüglich
der 5 wird das Paar
halbscheibenförmiger
Resonatorstrukturen 70 und 72 in 6 und 7 relativ
zueinander bewegt, was daher die Kopplung zwischen den Schwingungen
bewirkt, die in jedem Resonator unterstützt werden. Es sollte nachvollzogen
werden, dass die halbscheibenförmigen
Resonatorstrukturen 70 und 72 relativ zueinander
in viele mögliche
Konfigu rationen ausgerichtet werden können, und dass die Beispiele der 5 bis 7 lediglich repräsentative Beispiele einiger
der möglichen
Konfigurationen darstellen. Weiterhin sollte nachvollzogen werden,
dass mehr als zwei halbscheibenförmige
Resonatorstrukturen innerhalb des Gehäuses 76 eingeführt werden
können. Jeder
dieser Mehrschwingungsresonatoren würde ähnlich wie ein beliebiger Resonator
in den halbscheibenförmigen
Resonatorstrukturen der 4 und 5 wirken.
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8 ist
ein Beispiel eines Mehrhohlraumresonators 90. Hohlräume 92–98 sind
innerhalb der Mehrhohlraumresonatorstruktur 100 durch Blenden 102 verbunden.
Die Blenden 102 koppeln die Schwingungen zwischen den Hohlräumen 92 bis 98. Ein
Eingangsschwingungsknoten 104 gibt ein elektromagnetisches
Signal in den Mehrhohlraumresonator 90 ein, und ein Ausgangsschwingungsknoten 106 erfasst
das gefilterte Ausgangssignal aus dem Mehrhohlraumresonator 90.
Die Gestalt, Einstellung und Größe der Blenden 102 bewirken
die Kopplung zwischen den Schwingungen in den zwei verbundenen Hohlräumen 92–98,
die die Blenden 102 aneinander koppeln. Während die
Blenden 102 zwischen den angrenzenden Hohlräumen angeordnet
sein können, um
eine Verkettung zu bilden, kann die Kopplung auch zwischen nicht-angrenzenden
Hohlräumen
eintreten. Kopplung zwischen nicht-angrenzenden Resonatorhohlräumen bildet
eine quasielliptische Filterfunktion für den Resonator.