EP1349232A2 - Mikrowellenresonator - Google Patents

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EP1349232A2
EP1349232A2 EP03006616A EP03006616A EP1349232A2 EP 1349232 A2 EP1349232 A2 EP 1349232A2 EP 03006616 A EP03006616 A EP 03006616A EP 03006616 A EP03006616 A EP 03006616A EP 1349232 A2 EP1349232 A2 EP 1349232A2
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EP
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substrate
layer
microwave resonator
resonator according
resonator
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Rolf Crelpke
Klaus Schieber
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Tesat Spacecom GmbH and Co KG
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Tesat Spacecom GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06—Cavity resonators
    • H01P7/065—Cavity resonators integrated in a substrate

Definitions

  • the invention is based on a microwave resonator after the Genus of the main claim.
  • resonators In the manufacture of high-quality RF oscillators, that is, with low phase noise, resonators are required also have a high quality. Such resonators must due to low resistive conduction losses, due to low dielectric Losses and be characterized by low radiation losses.
  • the disadvantage is that these resonators are relatively large, and that in this case a resonator chamber is required in which propagates the electric field.
  • the resonator represents an additional component.
  • a post-processing grinding may be required.
  • FIGS. 1 and 2 An example of such a resonator is shown in FIGS. 1 and 2 shown. It consists of a strip-shaped substrate 12, the is covered on both sides with a conductive layer 3, and close to the right end has holes 2. The inner surfaces of the Holes 2 are also covered with the layer 3, so that the Layer 3 of the top 4 and the layer 3 of the bottom 5 electrically connected to each other.
  • the ohmic resistance of the layer 3 am on the holes. 2 short-circuited, relatively narrow end of the large ohmic Line losses and the fairly large geometric ones Dimensions of the signal input 13 serving left open
  • the large radiation losses of the known stripline resonator Since the quality of the resonator depends on the size the line losses and the radiation losses, this results in the relatively low quality of the known resonator.
  • the microwave resonator according to the invention with the has characteristic features of the main claim In contrast, the advantage of reduced ohmic line losses and reduced radiation losses, so that it is a very high quality and is well suited to high quality RF oscillators to be installed.
  • the conductive layer, or the arrangement of the holes, the shape of a Circular disk on, the top and the bottom with the Layer are occupied, the holes are at the edge of the disc arranged, and is mounted in the middle of the top Layer an opening arranged as a signal input.
  • the Gap between coupling tongue and circular disc circular segment educated is the Gap between coupling tongue and circular disc circular segment educated.
  • microwave resonator more than a coupling tongue on. This allows the coupling of one of the number of coupling tongues corresponding number of lines and components.
  • the substrate consists of low-loss dielectric material, which material in ceramic form outstanding Has insulating properties.
  • the substrate consists of alumina, sapphire, quartz glass, Teflon or similar.
  • This material has a high electrical Conductivity on and is very resistant to corrosion, so it can be used for particularly suitable for the present purpose.
  • the layer consists of highly conductive metal, so it is suitable for the this purpose is particularly well suited.
  • the layer consists of gold, silver, copper, aluminum, superconductor or similar.
  • This material has a high electrical Conductivity on and is very resistant to corrosion, so it can be used for particularly suitable for the present purpose.
  • the circular resonator 1 consists of a disk of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), ie, of a well electrically insulating substrate 12, which disc has at its edge through holes 2 and, as in particular.
  • Figure 4 shows, coated on both sides with a layer 3 is made of a highly conductive and non-corrosive material, which is particularly well suited to gold.
  • the inner surfaces of the bores 2 are also covered with the conductive layer 3, so that the layers 3 located on the upper side 4 and the lower side 5 are thereby short-circuited.
  • the layer 3 of the top 4 has a round opening 6, which is used as a signal input 13.
  • the circular resonator 1 shown in FIGS. 3 and 4 can be up to operate at a frequency of 20 GHz.
  • This particular has the Advantage that also one with the circular resonator 1 according to the invention equipped oscillator a high quality, that is, a low Has phase noise.
  • the coupling of the electrical oscillator components via the signal input 13 in that this in the middle of the top 4 through the opening. 6 and through-contacted by the alumina substrate.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a circular resonator 7, instead of a central opening 6 on one side a Coupling tongue 8 as a signal input 13 having the length L has.
  • Their purpose is to oscillator components with the Circular resonator 7 electrically connect.
  • the circular resonator 7 also consists of an aluminum oxide disc, the two sides with Gold is coated. Both sides of the gold layer have the in FIG 5 illustrated form.
  • Q Quality of Q
  • FIG Circular resonator 10 whose structure except for the circular segment-shaped Gap 11 is identical to that of the circular resonator 7 according to FIG Figure 5.
  • the sides of the gap 11 close an angle of a size such that the circular resonator 10 a Tuning bandwidth of up to 15%.
  • a varactor diode For tuning, a varactor diode by means of another Line to be coupled.
  • This diode can be both outside as also be arranged within the structure of the Kreisresonators.

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)

Abstract

Es wird ein Mikrowellenresonator vorgeschlagen, der an seinem Rand Bohrungen (2) zur Durchkontaktierung der leitenden Ober- und Unterseite des Resonators aufweist, und bei dem eine als Signaleingang (13) dienende Öffnung (6) sehr viel geringere Abmessungen aufweist, als der mit den Bohrungen (2) versehene Rand. <IMAGE>

Description

Stand der Technik:
Die Erfindung geht aus von einem Mikrowellenresonator nach der Gattung des Hauptanspruches.
Bei der Herstellung von HF-Oszillatoren hoher Güte, d.h., mit geringem Phasenrauschen, sind Resonatoren erforderlich, die ebenfalls eine hohe Güte aufweisen. Derartige Resonatoren müssen durch niedrige ohmsche Leitungsverluste, durch geringe dielektrische Verluste und durch niedrige Abstrahlverluste gekennzeichnet sein.
Aus dem Stand der Technik sind vielfache Versuche bekannt, diese Bedingungen zu erfüllen. So wird in der Literaturquelle, D. K. Paul und P. Gardner, "Microwave Oscillator and Filters based on Microstrip Ring Resonator", IEEE MTT-S 1995, ein Ringresonator hoher Güte beschrieben, der jedoch die Nachteile aufweist, dass die Ankopplung problematisch ist, und dass Störmoden auftreten, die unterdrückt werden müssen, wenn ein größerer Abstimmbereich benötigt wird. Durch derartige Maßnahmen nimmt die Güte des Resonators wieder ab.
Bekannt ist auch ein aus einem Keramiksubstrat bestehender planarer Resonator, das beidseitig metallisiert ist und in beiden Metallisierungsflächen kreisrunde Aussparungen aufweist. Dieser Resonator weist eine hohe Güte auf, hat aber den Nachteil, dass für dessen Montage beidseitig des Substrates ein größeres Luftvolumen vorliegen muss. Dies erfordert größere Kammern für den Resonator, was sich dann als nachteilig erweist, wenn der Resonator in "MIC"-Technik realisiert werden soll.
Aus der Literaturquelle, Elektronik Industrie 4-1190: Dr. Gundolf Kuchler: Koaxiale Keramikresonatoren für 400 MHz bis 4,5 GHz, und aus der Quelle, UKW-Bericht 2/1989: Dr. J. Jirmann: Koaxiale Keramikresonatoren, interessante Bauelemente für den Frequenzbereich zwischen 1 und 2,4 GHz, sind koaxiale Keramikresonatoren bekannt, die je nach Frequenzbereich und Keramikmaterial eine Güte zwischen Q= 400 bis Q=800 aufweisen. Deren Nachteile bestehen darin, dass hierbei extra Bauelemente erforderlich sind, und dass der Übergang zwischen IC und Resonator kritisch ist.
Bekannt sind zudem aus der Literaturquelle, Artech House: Kajfez/Guillon: Dielectric Resonators, dielektrische Resonatoren, die je nach Frequenzbereich und Resonatormaterial bei Raumtemperatur und im Grundmode TE01δ eine Güte zwischen Q=1000 und Q= 10000 aufweisen. Nachteilig ist, dass diese Resonatoren relativ groß sind, und dass hierbei eine Resonatorkammer erforderlich ist, in der sich das elektrische Feld ausbreitet. Zudem stellt der Resonator ein zusätzliches Bauteil dar. Und im Rahmen der Verwendung dieses Resonators ist eventuell eine Nachbearbeitung (Abschleifen) erforderlich. Als weitere Nachteile weist er eine überdurchschnittliche Gehäuse- und Deckelempfindlichkeit (Mikrophonie) auf, ist die elektrische Abstimmbandbreite aufgrund der hohen Güte sehr gering, d.h., nur ca. 10 MHz, und ist die Montage und der Abgleich eines mit diesem Resonator aufgestatteten Oszillators sehr kompliziert.
Letztlich sind aus den Literaturquellen E. Belohoubek, E. Denlinger, "Loss Considerations for Microstrip Resonators", IEEE MTT, Juni 1975, und A. Gopinath, "Maximum Q-Factor of Microstrip Resonators, IEEE MTT Feb. 1981, MIC-Streifenleitungs-Resonatoren bekannt, bei denen für jede Frequenz und für jedes Substratmaterial eine optimale Konfiguration, d.h., Leiterbreite und Substratdicke, realisierbar ist. Der Nachteil dieser bekannten Resonatoren besteht in der relativ niedrigen Güte von nur Q=50 bis Q=200.
Ein Beispiel eines solchen Resonators ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Er besteht aus einem streifenförmigen Substrat 12, das beidseitig mit einer leitfähigen Schicht 3 belegt ist, und das nahe der rechten Stirnseite Bohrungen 2 aufweist. Die Innenflächen der Bohrungen 2 sind ebenfalls mit der Schicht 3 belegt, sodass die Schicht 3 der Oberseite 4 und die Schicht 3 der Unterseite 5 elektrisch miteinander verbunden sind. Hierbei bestimmen der ohmsche Widerstand der Schicht 3 am über die Bohrungen 2 kurzgeschlossenen, relativ schmalen Ende die großen ohmschen Leitungsverluste und die ziemlich großen geometrischen Abmessungen des als Signaleingang 13 dienenden linken offenen Endes die großen Abstrahlverluste des bekannten Streifenleitungs-Resonators. Da die Güte des Resonators abhängig ist von der Größe der Leitungsverluste und der Abstrahlverluste, ergibt sich hieraus die relativ niedrige Güte des bekannten Resonators.
Die Erfindung und ihre Vorteile:
Der erfindungsgemäße Mikrowellenresonator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil verringerter ohmscher Leitungsverluste und verringerter Abstrahlverluste, sodass er eine sehr hohe Güte aufweist und gut dazu geeignet ist, in HF-Oszillatoren mit hoher Güte eingebaut zu werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die leitfähige Schicht, bzw. die Anordnung der Löcher, die Form einer Kreisscheibe auf, deren Oberseite und deren Unterseite mit der Schicht belegt sind, sind die Bohrungen am Rand der Kreisscheibe angeordnet, und ist in der Mitte der auf der Oberseite angebrachten Schicht eine Öffnung als Signaleingang angeordnet. Die hierdurch minimierten Abmessungen des offenen Endes reduzieren die Abstrahlverluste des Mikrowellenresonators, und dessen sehr weit aufgespreiztes kurzgeschlossenes Ende verringern dessen ohmsche Leitungsverluste erheblich, sodass hierdurch die Güte des erfindungsgemäßen Resonators sehr erhöht wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kreisscheibe als Signaleingang eine von derem zentralen Bereich radial nach außen gerichtete Ankopplungszunge mit der Länge L auf, die seitlich über einen Spalt mit der Breite S von der Kreisscheibe beabstandet ist. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, über die Spaltbreite S die Abstimmbandbreite und über die Länge L die Kopplung des Mikrowellenresonators einzustellen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Spalt zwischen Ankoppelzunge und Kreisscheibe kreissegmentförmig ausgebildet. Durch diese weitgehende Vergrößerung der Spaltbreite ergibt sich eine besonders breitbandige Version des Mikrowellenresonators gemäß der Erfindung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Mikrowellenresonator mehr als eine Ankoppelzunge auf. Dies ermöglicht die Ankopplung einer der Anzahl der Ankoppelzungen entsprechender Anzahl von Leitungen und Bauelementen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Substrat aus verlustarmen dielektrischen Material, welches Material in Keramikform hervorragende Isolationseigenschaften aufweist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Substrat aus Aluminiumoxid, Saphir, Quarzglas, Teflon oder dergleichen. Dieses Material weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und ist sehr korrosionsbeständig, sodass es sich für den vorliegenden Zweck besonders gut eignet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Schicht aus hochleitfähigen Metall, sodass es sich für den vorliegenden Zweck besonders gut eignet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Schicht aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Supraleiter oder dergleichen. Dieses Material weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und ist sehr korrosionsbeständig, sodass es sich für den vorliegenden Zweck besonders gut eignet.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen:
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 3 bis 6 dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 3
einen Kreisresonator in Draufsicht,
Fig. 4
den Kreisresonator gemäß Fig. 3 im Schnitt entlang der Linie IV-IV,
Fig. 5
einen Kreisresonator in Draufsicht mit einer separaten Ankopplungszunge und
Fig. 6
einen Kreisresonator in Draufsicht mit einer separaten Ankopplungszunge und einem Spalt zwischen Ankopplungszunge und Kreisresonator in Form eines Kreissegmentes.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele:
Figur 3 zeigt einen als Kreisresonator 1 ausgebildeten Mikrowellenresonator, der in Draufsicht die Form einer Kreisscheibe aufweist. Der Radius der Kreisscheibe beträgt ¼ der Länge der im Kreisresonator 1 in Resonanz befindlichen elektromagnetischen Welle. Figur 4 stellt einen nicht maßstabsgerechten Schnitt durch den Kreisresonator 1 entlang der Linie IV-IV in Figur 3 dar.
Der Kreisresonator 1 besteht aus einer Scheibe aus Aluminiumoxid (Al2O3), d.h., aus einem elektrisch gut isolierenden Substrat 12, welche Scheibe an ihrem Rand durchgehende Bohrungen 2 aufweist und, wie insb. Figur 4 zeigt, beidseitig mit einer Schicht 3 belegt ist, die aus einem hochleitfähigen und nicht korrodierenden Material besteht, wozu sich besonders gut Gold eignet. Auch die Innenflächen der Bohrungen 2 sind mit der leitfähigen Schicht 3 belegt, sodass hierdurch die auf der Oberseite 4 und der Unterseite 5 sich befindlichen Schichten 3 kurzgeschlossen werden. In der Mitte weist die Schicht 3 der Oberseite 4 eine runde Öffnung 6 auf, die als Signaleingang 13 verwendet wird.
Der in den Figuren 3 und 4 dargestellte Kreisresonator 1 kann bis zu einer Frequenz von 20 GHz betrieben werden. Die erfindungsgemäße Form des Kreisresonator 1 bewirkt, dass dessen ohmsche Leitungsverluste und dessen Abstrahlverluste sehr gering sind, sodass er eine Güte von Q= 700 aufweist. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auch ein mit dem Kreisresonator 1 gemäß der Erfindung ausgestatteter Oszillator eine hohe Güte, d.h., ein geringes Phasenrauschen aufweist. Hierbei erfolgt die Ankopplung der elektrischen Oszillatorbauelemente über den Signaleingang 13 dadurch, dass diese in der Mitte der Oberseite 4 durch die Öffnung 6 und durch das Aluminiumoxid-Substrat durchkontaktiert werden.
In Figur 5 ist eine Ausgestaltung eines Kreisresonators 7 dargestellt, die anstelle einer zentralen Öffnung 6 auf einer Seite eine Ankopplungszunge 8 als Signaleingang 13 mit der Länge L aufweist. Deren Zweck besteht darin, Oszillatorbauelemente mit dem Kreisresonator 7 elektrisch zu verbinden. Der Kreisresonator 7 besteht ebenfalls aus einer Aluminiumoxidscheibe, die beidseitig mit Gold beschichtet ist. Beide Seiten der Goldschicht weisen die in Figur 5 dargestellt Form auf. Auch diese Ausgestaltung eines Kreisresonators hat eine Güte von Q=700. Hierbei besteht nun die Möglichkeit, die Kopplung des Resonators 7 durch eine Variation der Länge L der Ankopplungszunge einzustellen. Wird beidseitig der Ankopplungszunge 8 zwischen dieser und dem Kreisresonator 7 ein Spalt 9 von der Breite S gelassen, besteht die Möglichkeit, die Abstimmbandbreite des Kreisresonators 7 über die Spaltbreite S einzustellen.
Hieraus folgt eine weitere in Figur 6 dargestellt Ausgestaltung eines Kreisresonators 10, dessen Aufbau bis auf den kreissegmentförmigen Spalt 11 identisch ist mit demjenigen des Kreisresonators 7 gemäß Figur 5. Hierbei schließen die Seiten des Spaltes 11 einen Winkel von einer derartigen Größe ein, dass der Kreisresonator 10 eine Abstimmbandbreite von bis zu 15% aufweist.
Bei jeder der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen eines Kreisresonators 1, 7, 10 besteht nun die Möglichkeit, Oszillatorbauelemente kapazitiv, d.h., über einen Kondensator oder über eine durch einen Koppelschlitz getrennte Leitung auf der Oberseite oder der Unterseite des Aluminiumoxid-Substrates anzukoppeln.
Zur Abstimmung kann eine Varaktordiode mittels einer weiteren Leitung angekoppelt werden. Diese Diode kann sowohl außerhalb als auch innerhalb der Struktur des Kreisresonators angeordnet sein.
Hierbei hat die vorliegende Erfindung insb. Den Vorteil, in "MIC"-Technik realisierbar zu sein, wobei die Breite S des Spaltes 9 bzw. der Öffnungswinkel des kreissegmentförmigen Spaltes 11 beliebig variiert werden können. Der Kreisresonator 7 bzw. 10 kann zur Ankopplung mehrerer Leitungen auch mit mehr als einer Ankopplungszunge 8 versehen sein, wobei dann die Breite S des Spaltes 9 bzw. die Größe des Öffnungswinkels des kreissegmentförmigen Spaltes 11 von der Anzahl der Ankopplungszungen 8 und von der gewünschten Abstimmbandbreite des erfindungsgemäßen Kreisresonators 7 bzw. 10 abhängt.
Als weiterer Vorteil ist zu nennen, dass der erfindungsgemäße Kreisresonator sehr unempfindlich ist gegenüber solchen Einflüssen der Umgebung, die den Effekt der Mikrophonie auslösen. Dies wird dadurch bewirkt, dass die elektromagnetischen Felder fast vollständig zwischen der Oberseite 4 und der Unterseite 5 der hochleitfähigen Schicht 3 einschließbar sind, und dass die auf der Oberseite 4 und auf der Unterseite 5 befindlichen Schichten 3 über die Bohrungen 2 elektrisch miteinander verbunden sind.
Alle in der Beschreibung, in den nachfolgenden Ansprüchen und in den Zeichnungen dargestellten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich.
Bezugszahlenliste
1
Kreisresonator
2
Bohrung
3
leitfähige Schicht
4
Oberseite
5
Unterseite
6
Öffnung
7
Kreisresonator
8
Ankopplungszunge
9
Spalt
10
Kreisresonator
11
Spalt
12
Substrat
13
Signaleingang

Claims (9)

  1. Mikrowellenresonator, bestehend aus einem plattenförmig ausgebildeten und elektrisch isolierenden Substrat (12),
    dass nahe einer Stirnseite der leitfähigen Schicht (3), Bohrungen (2) aufweist,
    dass beidseitig mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (3) belegt ist,
    wobei die Schicht (3) die Innenflächen der Bohrungen (2) bedeckt und damit die auf den beiden Seiten des Substrates (12) aufgetragenen Schichten (3) elektrisch miteinander verbindet, und
    wobei derjenige Bereich des Substrates (12) als Signaleingang (13) verwendbar ist, an dem der Randbereiche eines Teiles der Schicht (3) vom Substrat (12) isoliert einem anderen Teil der Schicht (3) gegenüberliegt,
    dadurch gekennzeichnet, dass der als Signaleingang (13) dienende Bereich des Substrates (12) geringere Abmessungen aufweist, als die mit den Bohrungen (2) versehene Stirnseite des Substrates (12).
  2. Mikrowellenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (3), bzw. die Anordnung der Bohrungen (2) die Form einer Kreisscheibe aufweist und das Substrat (12) auf der Oberseite (4) und der Unterseite (5) mit der Schicht (3) belegt sind,
    dass die Bohrungen (2) am Rand der Kreisscheibe angeordnet sind, und
    dass in der Mitte der auf der Oberseite (4) angebrachten Schicht (3) eine Öffnung (6) als Signaleingang (13) angeordnet ist.
  3. Mikrowellenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (3), bzw. die Anordnung der Bohrungen (2) die Form einer Kreisscheibe aufweist und das Substrat (12) auf der Oberseite (4) und der Unterseite (5) mit der Schicht (3) belegt sind,
    dass die Bohrungen (2) am Rand der Kreisscheibe angeordnet sind, und
    dass die Kreisscheibe als Signaleingang (13) eine von deren zentralen Bereich radial nach außen gerichtete Ankopplungszunge (8) mit der Länge L aufweist, die seitlich über einen Spalt (9) mit der Breite S von der Kreisscheibe beabstandet ist.
  4. Mikrowellenresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (11) zwischen Ankoppelzunge (8) und Kreisscheibe kreissegmentförmig ausgebildet ist.
  5. Mikrowellenresonator nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch mehr als eine Ankoppelzunge (8).
  6. Mikrowellenresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) aus verlustarmen dielektrischen Material besteht.
  7. Mikrowellenresonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) aus Aluminiumoxid, Saphir, Quarzglas, Teflon oder dergleichen besteht.
  8. Mikrowellenresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) aus leitfähigen Material besteht.
  9. Mikrowellenresonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Supraleiter oder dergleichen besteht.
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