DE69119273T2 - Dielektrischer Resonator mit Mikrowellenmetallstreifen und mit diesem Resonator ausgerüstete Vorrichtung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Resonator der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Art.
• Ein derartiger Resonator ist von der US Patent Nr. 4 262 269 her bekannt. Diese Schrift betrifft ein aktives Mikrowellenfilter, das einen Resonator in Form eines quadratischen C, der auf ein dielektrisches Substrat aufgebracht ist, und einen Inverterverstärker wie einen FET- Verstärker, der zwischen die Enden des Resonators mit einer halben Wellenlänge eingesetzt ist, besitzt. Infolgedessen ist der Abstand zwischen den Enden verhältnismässig gross.
• Diese bekannte Vorrichtung besitzt die wesentlichen Nachteile, dass die Güte und die Ankopplung verhältnismässig klein sind, dass sie nicht erwünschte Kopplungen mit den benachbarten Bauteilen verursacht und dass die Abmassen verhältnismässig gross sind.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen dielektrischen Resonator zu schaffen, der die Nachteile des bekannten Resonators nicht besitzt.
• Um diese Aufgabe zu erfüllen, besitzt der erfindungsgemässe Generator die Merkmale, die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführt sind.
• Von dem Dokument US-A-4 816 788 her ist ein Hochfrequenzbandpassfilter bekannt, das ein Motiv von metallischen Mikrowellenbändern in Form eines Kammes besitzt, bei dem die Enden wenigstens einiger Zähne von einem Gegenkopplungskreis überdeckt sind, der einen Verstärker und zwei beidseitig von dem Zahnende aufgebrachten Bandbereichen besitzt. Da jedoch der Resonator in Art eines Linienelementes ausgeführt ist und die Energiezufuhr an den freien Enden erfolgt, d.h. an sehr begrenzten Bereichen, ist die Ankopplung verhältnismässig schwach.
• Infolgedessen stellen die Ringform des erfindungsgemässen Resonators mit den einander angenäherten Enden zur Bildung eines Kopplungsspaltes und die Ausbildung des Gegenkopplungskreises neue Merkmale dar, die nicht in offensichtlicher Weise aus US-A-4 816 788 herleitbar sind, da dank dieser Merkmale die Nachteile nicht nur der in US-A-4 262 269 beschriebenen Vorrichtung sondern auch der Vorrichtung gemäss US-A-4 816 788 vermieden werden. Diese Merkmale stellen daher grundsätzliche Unterschiede zwischen der Erfindung. und dem Stand der Technik dar.
• Andere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 beschrieben.
• Die Erfindung und andere Ziele, Einzelheiten, Merkmale und Vorteile werden deutlicher verständlich aus der Beschreibung, die sich auf die beigefügten schematischen Abbildungen bezieht, die lediglich als Beispiele genannt sind, um mehrere Ausführungsformen der Erfindung aufzuzeigen, und in denen :
• - Die Figuren 1 und 3 schematisch drei Ausführungsformen eines dielektrischen erfindungsgemässen Resonators zeigen, die sich durch die Anordnung des Elementes mit veränderbarer Kapazität mit dem Ziel, die Resonanzfrequenz zu verändern, unterscheiden.
• - Die Figuren 4 und 5 sind schematische Darstellungen von Sperr- und Bandpassfiltern, die den dielektrischen Resonator gemäss der Figur 3 enthalten.
• - Die Figur 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI der Figur 4.
• - Die Figur 7 ist eine Schnittansicht gemäss der Linie VII-VII der Figur 4.
• Der dielektrische Resonator gemäss den Figuren 1 bis 3 besitzt ein Motiv aus Mikrowellenmetallstreifen A, das eine Ringform besitzt und in 1 gespalten ist. Im dargestellten Beispiel besitzt das Motiv oder Muster eine quadratische Form mit zwei horizontalen parallelen Streifenelementen 2 und zwei senkrechten Streifenelementen 3. Das Motiv oder Muster ist vom Haarnadellinientyp, d.h. besitzt im Bereich des Spaltes 1 in der Mitte des oberen Streifens 2 zwei Streifenabschnitte oder metallische Finger 4, die parallel sind und sich in Richtung zur Mitte des ringförmigen Motifs parallel zu den Streifen 2 erstrecken. Diese Streifenelemente haben eine vorbestimmte Länge und bilden die Kopplungslinien. Das dargestellte metallische Motiv ist gemäs einem beliebigen geeigneten bekannten Verfahren, z.B. durch Verdampfung unter Vakuum, auf einen Träger aus dielektrischem Stoff mit grosser relativer Permittivität aufgebracht, wie z.B. Silizium oder eigentliches AGa oder dielektrischem Keramikstoff und in allgemeiner Weise Dielektrika, die in Abhängigkeit von der Temperatur beständig sind, wie die Stoffe, die von der Anmelderin unter den kommerziellen Bezeichnungen E 2036 und E 3036 mit einem Wert εr = 37 kommerzialisiert sind. Das Schaltkreismuster kann auf einem Substrat vom Typ Duroid 5870 mit einer Dicke von 0,503 mm und einer Dielektrizitätskonstante von 2,32 aufgebracht sein.
• Dieser Ausgestaltung des Raumresonators ist ein Gegenkopplungskreis B zugeordnet, der von einem metallischen Mikrowellenstreifen gebildet wird, der die allgemeine Form eines C besitzt, dessen Zweige von Streifenelementen 6, 7 gebildet werden, die sich parallel zu den Mikrowellenstreifen 3 des Musters A erstrecken und nahe von diesen angeordnet sind. Im Bereich der Basis des Gegenkopplungskreises ist ein aktives elektronisches Element angeordnet, wie ein schematisch in 8 dargestellter Transistor. Dem aktiven Element 8 kann. in Form eines diskreten Bauteiles eine Phasendrehvorrichtung (nicht dargestellt) zugeordnet werden. Diese Phasendrehfunktion kann jedoch auch von den Streifen 6, 7 des Schaltkreises 3 bewirkt werden, indem diesen eine geeignete Länge gegeben wird. Der Gegenkopplungskreis ist so ausgeführt, dass er die Energie in den Resonator einspeist, um die Verluste auszugleichen.
• Der aktive Mikrowellenresonator besitzt eine Vorrichtung C, die das frequenzmässige Abstimmen erlaubt. Die auf den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen unterscheiden sich durch die Ausbildung dieser Abstimmvorrichtung C. In der Ausführungsform gemäss der Figur 1 besitzt die Vorrichtung c im wesentlichen eine Diode mit variabler Kapazität 11, die zwischen den Enden der zwei Kopplungsstreifen 4 angeordnet ist. Im Fall der Figur 2 ist die Diode 11 zwischen dem Ende eines der beiden Abschnitte 4 und der Masse angebracht. Die Ausführungsform gemäss der Figur 3 besitzt zwei Dioden variabler Kapazität 11, von denen jede zwischen dem Ende eines Abschnittes oder Kopplungsfingers 4 und der Masse angeordnet ist.
• Die Dioden können elektronisch auf jede bekannte geeignete Weise gesteuert werden. Sie erlauben es, den Resonator abstimmbar zu machen, sowohl hinsichtlich der Resonanzfrequenz als der Bandbreite. Die Parallelschaltung der Dioden erlaubt die Verwendung von sogenannten "vertikalen" Dioden, da sie die schwächsten Streukapazitäten besitzen. Es ist vorteilhaft, z.B. "vertikale" Dioden vom Typ MESA zu verwenden, die ein Maximum von Impedanzvariation aufgrund ihrer sehr kleinen Streukapazität gewährleisten. DIE Verwendung von zwei parallel geschalteten Dioden 11 vergrössert die Leistungsbeständigkeit und die Frequenzveränderbarkeit.
• Es ist zu bemerken, dass der erfindungsgemässe dielektrische Resonator mit hybrider Aufbau, jedoch auch mit integrierter Struktur ausgeführt werden kann. Im letzteren Fall können der Transistor 8 und die Diode variabler Kapazität 11 als integrierter Schaltkreis ausgeführt werden, der in dem dielektrischen Substrat des Resonators ausgebildet ist.
• Die Figuren 4, 6, 7 einerseits und die Figur 5 andererseits zeigen zwei Verwendungen eines dielektrischen Resonators gemäss der Figur 3, d.h. ein Sperrfilter und ein Bandpass filter.
• Bei dem Sperrfilter gemäss der Figur 4 ist die mit 13 bezeichnete Übertragungsmikrowellenleitung kontinuierlich und erstreckt sich parallel zur horizontalen, nicht gespaltenen Basisseite des Motives A in einer geeigneten geringen Entfernung, um die gewünschte Kopplungsqualität zu gewährleisten. Die Spannung, die die Veränderung der Kapazität der Dioden 11 gestattet, wird an diese mit Hilfe von Polarisationsinduktivitäten 14 und durch entsprechende Mikrowellenstreifen des Motives A angelegt, wobei letzteres an der Basis jeder vertikalen Seite 3 ein Intervall 15 besitzt, zu dem eine örtliche Kapazität 16, die jedoch nicht zwangsläufig notwendig ist, parallel geschaltet ist.
• Die Figuren 6 und 7 bestätigen, dass das Sperrfilter in planarer Technologie ausgebildet werden kann, wobei das Bezugszeichen 18 das Substrat aus dielektrischem Stoff 17 bezeichnet, auf den die verschiedenen metallischen Mikrowellenstreifen aufgebracht werden.
• Unter Bezugnahme auf die Figur 5 stellt man fest, dass das Bandfilter die gleiche Resonatorgestalt wie das Sperrfilter der Figur 4 besitzt, wobei die übertragungslinie 13 jedoch in 19 unterbrochen ist.
• Die erfindungsgemässen Resonatoren sind vom Typ mit hoher Überspannung, sie sind abstimmbar und nach der Mikrowellenstreifentechnik oder vollkommen in ein Substrat integrierbar herstellbar. Sie sind naturgemäss beständig in Abhängigkeit von der Temperatur und besitzen ein bezogen auf die bekannte Technik sehr geringes Gesamtvolumen. Diese Resonatoren erlauben es, verschiedenartige Vorrichtungen wie abstimmbare verlustfreie Filter, integrierte abstimmbare Quellen oder strahlende Elemente zu bilden.
• Die Erfindung besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber dem bekannten Stand der Technik. Die Kopplungsfinger 4, die von zwei linienförmigen parallelen Mikrowellenstreifen gebildet werden und sehr nah zueinander sind, erlauben es, die Wellenlänge des "strahlenden" Ringes zu verringern, indem eine Wellenlänge bis zu λ /10 oder λ /8 gewählt wird, wobei λ die Wellenlänge in der Ausbreitungsleitung darstellt. Man führt im Bereich des Resonators eine Eingangsimpedanz zurück, die grösser ist als die, die durch die alleinige Kapazität der Leitungselemente und an deren Kopplungen verürsacht wird. Die Parallelanordnung der Dioden erlaubt die Verwendung sogenannter "vertikaler" Dioden, wie Dioden vom MESA-Typ, die sich durch sehr kleine Streukapazitäten auszeichnen. Die Verwendung zweier paralleler Dioden erhöht die Leistungsbeständigkeit und die Frequenzveränderbarkeit.
• Es hat sich herausgestellt, dass es die Verwendung eines erfindungsgemässen Resonators erlaubt, Sperrfilter mit einern Sperrwert von 45 dB zu erhalten. Bandpassfilter mit verlustfreier Übertragung sind gebaut worden, die Rückwärtsverluste von 35 dB bei einer Frequenz von 3,1 GHZ besitzen. Um die Kopplungsverluste zu verringern, kann die Mikrowellenstreifentechnik mit dielektrischer Belastung verwendet werden. Bei Anwendung der Technik mit überdekten dielektrischen Schichten können die Kopplungen zwischen dem Resonator und den Eingangs- und Ausgangsleitungen erhöht werden. Bei einer Mittenfrequenz von 3,1 GHz hat man Frequenzabstimmbereiche in der Grössenordnung von 47 MHz erhalten können. In diesem Bereich in die Bandbreite von 3 dB von 5,13 MHz auf 3,17 MHz verrringert worden. Es erscheint, dass ein grösserer Abstimmbereich durch Verringerung des Abstandes der parallelen Kopplungsleitungen des Haarnadelresonators erhiltlich ist. In allgemeiner Weise kann durch geeignete Wahl der Abmasse der Kopplungsfinger, nähmlich deren Breite und Länge, und durch eine geeignete Anordnung der Dioden auf den Kopplungsfingern, die Veränderbarkeit der auf den Resonator zurückgeführten Impedanz und infolgedessen der Abstimmfrequenzbereich maximal gemacht werden.
• Selbstverständlich können zahlreiche Veränderungen an den Strukturen des Resonators und der diese Resonatoren verwendenden Schaltkreise vorgenommen werden. Ferner können verschiedenste bekannte Techniken zur Ausbildung der hybriden und integrierten Schaltkreise und zum Aufbringen der metallischen Mikrostreifen sowie der nicht in Haarnadelweise ausgebildeten Resonatoren verwendet werden.

Claims (12)

1. Dielektrischer Resonator mit einem Motiv (A) aus Mikrowellenmetallstreifen, das auf ein dielektrisches Substrat mit starker relativer Permittivität aufgebracht ist und die allgemeine Form eines offenen Ringes hat, und mit einem aktiven Element (8) wie einem Transistor, das eine Gegenkopplung bildet und dem genannten Mikrowellenstreifenmotiv (A) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des in allgemeiner Weise ringf irmigen Motives (A) einander angenähert sind, um einen Kopplungsspalt (1) zu bilden, dass das aktive Element (8) Teil eines Gegenkopplungskreises (B) mit metallischen Mikrowellenstreifen (6,7) ist, die auf das dielektrische Substrat (17) in einer geringen Entfernung der Mikrowellenstreifen (3) des vorgenannten Mikrowellenstreifenmotives (A) im wesentlichen parallel dazu auf beiden Seiten des genannten Spaltes (1) aufgebracht sind, um eine geeignete Kopplung zu schaffen.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens ein Element (11) mit variabler Kapazität besitzt, das in das Mikrowellenstreifenmotiv (A) in der Nähe von dessen Spalt (1) eingebaut ist.

3. Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellenstreifenmotiv (A) vom Haarnadeltyp ist und in der Nähe des Spaltes zwei parallele Mikrowellenstreifenbereiche (4) besitzt, die sich zur Mitte des Motivs hin erstrecken.

4. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit variabler Kapazität, wie eine Diode variabler Kapazität, zwischen dem Ende eines dieser Bereiche (4) und der Masse eingebaut ist.

5. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diode mit variabler Kapazität (11) zwischen dem Ende jedes Kopplungsbereiches (4) und der Masse eingebaut ist.

6. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diode mit variabler Kapazität (11) zwischen den freien Enden der Kopplungsbereiches (4) eingebaut ist.

7. Resonator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit variabler Kapazität (11) eine Diode des genannten "vertikalen" Typs, wie eine MESA-Diode ist.

8. Resonator nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreis zur Versorgung mit Steuerspannung für eine Diode variabler Kapazität (11) einen Schaltkreisbereich besitzt, der mit einem Bereich der Mikrowellenstreifen (2,4) des Motivs (A) verbunden ist, wobei ein Spalt (15) oder eine lokale Isolationskapazität in dem Motiv vorgesehen ist.

9. Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte erste Schaltkreisbereich zur Versorgung mit der Steuerspannung eine Polarisierungsinduktivität (14) besitzt.

10. Resonator nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellenstreifenmotiv (A) die allgemeine Form eines Quadrats hat und dass die metallischen Mikrowellenstreifen (6,7) des Gegenkopplungskreises (B) sich zumindest teilweise parallel zu zwei parallelen Seiten (3) des Motivs (A), die nicht den genannten Spalt (1) besitzen, in einer geringen Entfernung von diesen erstrecken.

11. Resonator nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (8) und gegebenenfalls die Elemente mit variabler Kapazität (11) als integrierte Schaltkreise innerhalb des dielektrischen Substrats (17) des Resonators ausgebildet sind.

12. Filter wie ein Bandbegrenzungs-oder Bandpassfilter, dadurch gekennzeichnet, dass es einen dielektrischen Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 besitzt, und dass die Übertragungsleitung (13) auf das Substrat (17) des Resonators aufgebracht ist und sich parallel zu dem Streifen (2) des Motives (A) in einer geringen Entfernung davon Streifen (2) erstreckt, der parallel zu dem den Spalt (1) aufweisenden Streifen verläuft.