EP1349232B1

EP1349232B1 - Mikrowellenresonator

Info

Publication number: EP1349232B1
Application number: EP03006616A
Authority: EP
Inventors: Rolf Crelpke; Klaus Schieber
Original assignee: Tesat Spacecom GmbH and Co KG
Current assignee: Tesat Spacecom GmbH and Co KG
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: DE10213766A1; DE10213766B4; DE50307048D1; EP1349232A2; ES2286346T3; EP1349232A3; ATE360267T1

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 JP 10303618 ist ein rechteckiger Resonator mit drei oder vier leitenden Schichten bekannt. Am äußeren Rand des Resonators sind Bohrungen angebracht, die ein Rechteck bilden. Die Innenseiten der Bohrungen sind leitend beschichtet.
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 TE_01δ 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.
Die leitfähige Schicht, bzw. die Anordnung der Löcher, weist die Form einer Kreisscheibe auf, deren Oberseite und deren Unterseite mit der Schicht belegt sind, sind die Bohrungen am Rand der Kreisscheibe 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.
Die Kreisscheibe weist 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.
Der Spalt zwischen Ankoppelzunge und Kreisscheibe ist kreissektor förmig 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.
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:

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur 6 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1: Resonator aus einem streifenförmigen Substrat, das beidseitig mit einer leitfähigen Schicht belegt ist,
Fig. 2: Resonator gemäß Fig. 1
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 Kreissektors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele:

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.
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 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 ein Beispiel 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 in Figur 6 dargestellte Ausgestaltung eines Kreisresonators 10, dessen Aufbau bis auf den kreissektorförmigen 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 der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kreisresonators 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 kreissektorförmigen 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 kreissektorförmigen 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.

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

Mikrowellenresonator, bestehend aus einem plattenförmig ausgebildeten und elektrisch isolierenden Substrat (12),
- das beidseitig mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (3) belegt ist,

- das nahe einer Stirnseite der leitfähigen Schicht (3), Bohrungen (2) aufweist,

- 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 Randbereich eines Teiles der Schicht (3) vom Substrat (12) isoliert einem anderen Teil der Schicht (3) gegenüberliegt,

- wobei der als Signaleingang (13) dienende Bereich des Substrates (12) geringere Abmessungen aufweist, als die mit den Bohrungen (2) versehene Stirnseite des Substrates (12),
dadurch gekennzeichnet,
dass die leitfähige Schicht (3), und die Anordnung der Bohrungen (2) die Form einer Kreisscheibe aufweist,

- dass die Bohrungen (2) am Rand der Kreisscheibe angeordnet sind; und

- dass die obere leitfähige Schicht der Kreisscheibe als Signaleingang (13) eine von deren zentralen Bereich radial nach außen gerichtete Ankopplungszunge (8) mit der Länge L aufweist, die seitlich über Spalte (9) von der oberen leitfähigen Schicht der Kreisscheibe beabstandet ist;

- dass jeder Spalt (11) kreissektorförmig ausgebildet ist.
Mikrowellenresonator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehr als eine Ankoppelzunge (8).
Mikrowellenresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) aus verlustarmen dielektrischen Material besteht.
Mikrowellenresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) aus Aluminiumoxid, Saphir, Quarzglas, Teflon oder dergleichen besteht.
Mikrowellenresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) aus leitfähigem Material besteht.
Mikrowellenresonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Supraleiter oder dergleichen besteht.