EP1429457B1 - Vorrichtung zur Frequenzabstimmung eines Hohlraumresonators oder dielektrischen Resonators - Google Patents

Vorrichtung zur Frequenzabstimmung eines Hohlraumresonators oder dielektrischen Resonators Download PDF

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EP1429457B1
EP1429457B1 EP03025954A EP03025954A EP1429457B1 EP 1429457 B1 EP1429457 B1 EP 1429457B1 EP 03025954 A EP03025954 A EP 03025954A EP 03025954 A EP03025954 A EP 03025954A EP 1429457 B1 EP1429457 B1 EP 1429457B1
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EP
European Patent Office
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resonator
dielectric
metal layer
cavity
gap
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EP03025954A
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EP1429457A3 (de
EP1429457A2 (de
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Norbert Dr. Klein
Soami Daya c/o Mr. S. Krishnananda Krishnananda
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/10—Dielectric resonators

Definitions

  • the invention relates to a device for frequency tuning of a cavity resonator or dielectric resonator and corresponding resonators with such a device.
  • the object of the invention is to provide a device for electrical frequency tuning of a cavity resonator or a dielectric resonator, which enables a high quality with simultaneously faster tunability of the resonator. It is another object of the invention to provide a corresponding tunable resonator.
  • the inventive device for frequency tuning a cavity resonator or dielectric resonator comprises a, applied to a dielectric substrate, metal layer.
  • the metal layer is interrupted by at least one gap.
  • the gap is bridged by at least one micromechanical structural element.
  • the distance from the micromechanical structure element to the metal layer can be varied.
  • the device forms a wall with electrically controllable transparency for certain types of waves, which serves for the electrical frequency tuning of a shielded resonator.
  • the dielectric substrate is advantageous for. B. of sapphire, alumina ceramic or high-resistance silicon available.
  • the metal layer applied thereon particularly advantageously has a high conductivity. It is z. B. from gold, silver or copper available.
  • the one or more micromechanical structural elements are designed in particular strip-shaped. They are also preferably available from a metal of high conductivity.
  • the resonator is a dielectric resonator or a cavity resonator.
  • the device according to the invention is arranged in a metallic cavity so that this device comes as a semi-transparent wall, that is, a wall with electrically controllable transparency for certain types of electromagnetic waves to effect.
  • the tunable resonator is thereby divided into two partial resonators.
  • the arrangement consists of a deposited on a dielectric substrate metal layer which is interrupted by at least one radially extending gap.
  • the micromechanical arrangement is formed in this case by at least one metallic strip, which is arranged at a certain distance above the gap or the metallic layer.
  • This distance either between a capacitive gap bridging, with a finite distance between strip and metal layer, and a resistive gap bridging, if no distance between strip and metal layer is present, switched or the capacity can be varied continuously by continuously changing the distance.
  • a change in the distance in the micrometer range leads to a change in the resonant frequency in the percentage range. Because of these extremely low movement amplitudes can be compared here to realize significantly shorter switching times to conventional mechanical tuning elements. Compared to conventional electronic voting methods such. B.
  • the distance between the strip and the gap or metal layer can be varied by actuators or actuation methods known in MEMS technology, eg. B. by piezoelectric, electrostatic or thermal actuators, z. B. by the bimetal effect.
  • a cavity or dielectric resonator having such a device therefore has a high quality with simultaneously fast tunability.
  • the device has a plurality of radially extending columns for frequency tuning of the TE 011 or TE 01 ⁇ shaft type.
  • the gaps are preferably bridged in each case by a multiplicity of micromechanical structural elements.
  • the radially extending columns advantageously extend from an opening.
  • the opening lies in the middle of the metallic layer.
  • it can also be present in the dielectric substrate of the device according to the invention. In this way, the effect is advantageously achieved that the individual sectors of the metallic layer are electrically separated from each other and thus the above-mentioned control of individual sectors is possible.
  • the micromechanical structural element or elements is connected at one of its sides to the metal layer of a sector applied to the dielectric substrate.
  • the distance between the structural element and the adjacent sector can be varied. About the variation of the distance is the frequency tuning.
  • the one or more micromechanical structural elements are part of a further dielectric substrate.
  • the columns are arranged in the metallic surface of a dielectric substrate and are bridged by means of the structural elements of a second substrate.
  • the effect is achieved that the distance between all micromechanical structural elements and the metal layer of the first dielectric substrate can be uniformly varied (analog frequency tuning).
  • the variation of the spacing of the micromechanical structure elements from the gaps can be achieved by piezoelectric actuators.
  • a resonator with inventive device for frequency tuning can be used in particular for the TE 011 or TE 01 ⁇ wave type.
  • FIG. 1 Arrangement of a Semitransparent Wall Shielded Dielectric Resonator comprising Micromechanical Structural Elements.
  • FIG. 4 Tunable resonator with piezoelectric actuator.
  • FIG. 1 shows by way of example a resonator according to the invention consisting of a dielectric cylinder 4, which is arranged in a cylindrical metallic shielding housing 2.
  • the semitransparent wall 3 comprising micromechanical structural elements is parallel to the end face 1a of the cylinder at a certain distance 1 'above the dielectric cylinder 4 is arranged.
  • the device forms a partition wall between two partial resonators.
  • the lower part resonator 1 "is a metallic cavity resonator with dielectric filling 4 (shielded dielectric resonator) and the upper part resonator is a metallic cavity resonator 1 ', the transparency of which can be controlled by micromechanical movements for certain electromagnetic wave types.
  • FIG. 2 shows a possible construction of a semitransparent wall comprising micromechanical structural elements.
  • this is an arrangement for the TE 011 or TE 01 ⁇ wave type of a shielded cavity or dielectric resonator.
  • a metallic wall When building in Fig. 2 it is a metallic wall, z.
  • the metallic layer 24 In the metallic layer 24 four radially extending columns 25 are arranged. The columns 25 are z.
  • the metallic layer 24 is divided into four separately controllable sectors, of which only the sector is provided at the top right with reference numeral 24.
  • the four columns 25 extend from an opening 26 located in the middle of the metallic layer.
  • the opening 26 faces a small diameter compared to the resonator diameter.
  • each gap 25 forms an interruption of the streamlines, resulting in an effective radiation of electromagnetic energy in an upper part of the resonator 1 ', as in FIG. 1 represented, leads. In this way, a coupling of both partial resonators 1 'and 1'', as in Fig. 1 shown, realized.
  • the four micromechanical structural elements 27 shown in the example are metallic strips which are connected to the metallic layer 24 on one of their sides.
  • the micromechanical structure elements 27 each bridge a gap 25 locally at this point. Only the right micromechanical structure element 27 is provided with reference numerals. If there is no distance between the metal strips 27 and the metal layer 24, the gap 25 is resistively bridged. In this case, at this point, the radiation coupling to an upper part of the resonator 1 ', as in Fig. 1 shown, resulting in a change from a finite distance between metal strip 27 and metal layer 24, and thus for frequency tuning. In the case of a small distance between the strip 27 and the metal layer 24 results from the overlap between the strip 27 and metallic layer 24 a parallel to the gap capacitance capacitance, the variation by distance change also to a frequency change and thus leads to frequency tuning.
  • the simulation yields a frequency change of about 20 MHz with a change in the distance between four strips 27 to four columns 25 between zero and ten microns (strip 2) x 5 mm, gap 2 mm in diameter).
  • the resonator quality of about 30,000 is hardly changed compared to a corresponding resonator without a tuning device.
  • the gaps 35 extend radially from a circular opening 36 without metallization.
  • the opening 36 is arranged in the center of the metallic layer.
  • the metallic layer 34 is subdivided into twelve sectors, which are electrically separated from one another and can be driven separately. If the strips 37 are designed as free-floating cantilevers, which are anchored on one side with the metallic layer 34, so can a desired movement of the strip z. B. by bending the strip 37 produce.
  • Aktuationsmethoden such.
  • FIG. 4 shows a possible arrangement for the analogous uniform movement of all strips 11b, which are applied as a structured metal layer on a dielectric substrate 9b, by means of piezoelectric actuators 10.
  • the substrate 9a comprises the gap arrangement 11a as a structured metal layer.
  • an existing air gap 8 between the dielectric substrates 9a and 9b, which are provided with the structured metallizations 11a and 11b on the mutually facing sides, is varied with the aid of at least three piezoactuators 10.
  • In the image plane only two piezo actuators 10 are shown, of which only the left in the image plane actuator is provided with reference numerals.
  • the illustrated devices for frequency tuning are adapted to the geometry of a circular cylindrical cavity resonator or dielectric resonator. In principle, another geometry than a circular one is conceivable for the device in order to achieve the frequency tuning of a resonator.
  • a tunable filter structure comprises a plurality of coupled together cavity resonators and / or dielectric resonators with inventive device for frequency tuning.
  • a tunable oscillator comprises a semiconductor amplifier and a cavity resonator or dielectric resonator with frequency matching device according to the invention.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Frequenzabstimmung eines Hohlraumresonators oder dielektrischen Resonators und entsprechende Resonatoren mit einer solchen Vorrichtung.
  • Bedingt durch die intensive Nutzung verfügbarer Frequenzbänder in der Mikrowellenkommunikation, ist für zukünftige Generationen von Kommunikationssystemen eine möglichst flexible, d. h. zeitlich variable Nutzung von Teilbändern für bestimmte Zwecke unerläßlich. Beispielsweise werden bei intensivem Internetverkehr über mobile Kommunikationseinrichtungen die notwendigen Bandbreiten für den "uplink" vom mobilen Terminal zur Basisstation und den "downlink" umgekehrt zeitlich stark schwanken, so daß eine zeitlich variable, Software gesteuerte Zuordnung von Frequenzintervallen zur Steigerung der übertragbaren Datenraten, führen kann. Für solche Aufgaben sind schnell abstimmbare Mikrowellenfilter, auf der Basis schnell abstimmbarer Resonatoren mit hoher Güte, eine wichtige Voraussetzung. Neben vielen möglichen Filteranwendungen sind abstimmbare Resonatoren mit hoher Güte für spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs), die bei zahlreichen Anwendungen der Mikrowellen-Kommunkations-, Sensor- und Meßtechnik zum Einsatz kommen, von Bedeutung.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Frequenzabstimmung von Hohlraumresonatoren bzw. dielektrischen Resonatoren basieren entweder auf der Bewegung von metallischen bzw. dielektrischen Formkörpern über makroskopische Distanzen, wie z. B. aus DE 198 41 078 C1 bekannt, oder auf integrierten steuerbaren Halbleiterbauelementen (z. B. Varaktordioden). Erstere erlauben zwar relativ große Abstimmbereiche bei gleichzeitig hohen Güten (≈ 10.000). Nachteilig sind aber die Umschaltzeiten zwischen verschiedenen Positionen extrem langsam (≈ 1 sec). Letztere erlauben zwar eine Frequenzabstimmung in sehr kurzen Zeiten (≈ 10 Mikrosekunden). Nachteilig führen sie aber aufgrund hoher Verluste durch Wärmedissipation in dem verwendeten Halbleitermaterial zu einer starken Degradation der Güten (≈1000).
  • Aus Brown et al., 1999 (A. R. Brown, P. Blondy and G. M. Rebeiz (1999). Microwave and millimeter-wave high-Q micromachined resonators. Int. J. of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, Vol. 9, pp. 326-337) ist bekannt, verlustarme Schalter mit kurzen Schaltzeiten im Mikrowellen- bzw. Millimeterbereich mit der sogenannten MEMS-Technologie (Micromachined Electromechanical Systems) herzustellen.
  • Aufgrund der Kleinheit der MEMS-Strukturen werden diese bislang in Verbindung mit planaren Mikrowellen-Leitungsstrukturen eingesetzt. Diese weisen nachteilig aufgrund von Verlusten durch Wärmedissipation in den metallischen Komponenten keine besonders hohen Güten auf.
  • Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zur elektrischen Frequenzabstimmung eines Hohlraumresonators bzw. eines dielektrischen Resonators bereit zu stellen, welche eine hohe Güte bei gleichzeitig schneller Abstimmbarkeit des Resonators ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen entsprechenden abstimmbaren Resonator bereit zu stellen.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit der Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Patentansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Frequenzabstimmung eines Hohlraumresonators oder dielektrischen Resonators umfaßt eine, auf einem dielektrischen Substrat aufgebrachte, Metallschicht. Die Metallschicht ist von mindestens einem Spalt unterbrochen. Der Spalt wird durch mindestens ein mikromechanisches Strukturelement überbrückt. Der Abstand vom mikromechanischen Strukturelement zur Metallschicht kann variiert werden. Dadurch bildet die Vorrichtung eine Wand mit elektrisch steuerbarer Transparenz für bestimmte Wellentypen, die der elektrischen Frequenzabstimmung eines abgeschirmten Resonators dient.
  • Das dielektrische Substrat ist vorteilhaft z. B. aus Saphir, Aluminiumoxidkeramik oder hochohmigem Silizium erhältlich. Die hierauf aufgebrachte Metallschicht weist besonders vorteilhaft eine hohe Leitfähigkeit auf. Sie ist z. B. aus Gold, Silber oder Kupfer erhältlich. Das oder die mikromechanischen Strukturelemente sind insbesondere streifenförmig ausgestaltet. Sie sind vorzugsweise ebenfalls aus einem Metall hoher Leitfähigkeit erhältlich.
  • Bei dem Resonator handelt es sich um einen dielektrischen Resonator oder um einen Hohlraumresonator. Dabei wird in einem metallischen Hohlraum die erfindungsgemäße Vorrichtung so arrangiert, daß diese Vorrichtung wie eine semitransparente Wand, das heißt eine Wand mit elektrisch steuerbarer Transparenz für bestimmte elektromagnetische Wellentypen, zur Wirkung kommt. Der abstimmbare Resonator ist dadurch in zwei Teilresonatoren unterteilt. Für den gebräuchlichen TE011 bzw. TE01δ Wellentyp eines zylinderförmigen Hohlraumresonators bzw. eines dielektrischen Resonators besteht die Anordnung aus einer auf einem dielektrischen Substrat aufgebrachten Metallschicht, die von mindestens einem radial verlaufenden Spalt unterbrochen wird. Die mikromechanische Anordnung wird in diesem Fall durch mindestens einen metallischen Streifen ausgebildet, der in einem gewissen Abstand oberhalb des Spaltes bzw. der metallischen Schicht angeordnet ist. Durch Variation dieses Abstandes kann entweder zwischen einer kapazitiven Spaltüberbrückung, bei endlichem Abstand zwischen Streifen und Metallschicht, und einer resistiven Spaltüberbrückung, wenn kein Abstand zwischen Streifen und Metallschicht vorliegt, umgeschaltet oder die Kapazität durch kontinuierliche Änderung des Abstandes kontinuierlich variiert werden. Eine Änderung des Abstandes im Mikrometerbereich führt dabei zu einer Änderung der Resonanzfrequenz im Prozentbereich. Aufgrund dieser extrem geringen Bewegungsamplituden lassen sich hier im Vergleich zu konventionellen mechanischen Abstimmelementen deutlich kürzere Schaltzeiten realisieren. Gegenüber konventionellen elektronischen Abstimmverfahren wie z. B. mittels Halbleiter-Varaktordioden, sind die Verluste durch Wärmedissipation deutlich geringer, so daß die so hergestellten abstimmbaren Resonatoren erheblich höhere Güten aufweisen. Der Abstand zwischen Streifen und Spalt bzw. Metallschicht kann durch in der MEMS-Technologie bekannte Aktuatoren bzw. Aktuationsmethoden variiert werden, z. B. durch piezoelektrische, elektrostatische oder thermische Aktuatorik, z. B. durch den Bimetalleffekt.
  • Ein, eine solche Vorrichtung aufweisender, Hohlraumoder dielektrischer Resonator weist daher eine hohe Güte bei gleichzeitig schneller Abstimmbarkeit auf.
  • Vorteilhaft weist die Vorrichtung eine Vielzahl an radial verlaufenden Spalten zur Frequenzabstimmung des TE011 bzw. TE01δ Wellentyps auf.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Spalten vorzugsweise jeweils von einer Vielzahl von mikromechanischen Strukturelementen überbrückt. Je mehr Spalten und mikromechanische Strukturelemente die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt, um so größer ist die Anzahl der durch die Spalten und mikromechanischen Strukturelemente erzeugten metallisierten Kreissektoren auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Durch separate elektrische Ansteuerung einzelner Segmente wird eine digitale Frequenzabstimmung über eine große Anzahl von Frequenzintervallen ermöglicht.
  • Die radial verlaufenden Spalten verlaufen vorteilhaft ausgehend von einer Öffnung. Die Öffnung liegt in der Mitte der metallischen Schicht. Sie kann aber zusätzlich auch im dielektrischen Substrat der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorliegen. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Wirkung erzielt, daß die einzelnen Sektoren der metallischen Schicht elektrisch voneinander getrennt sind und somit die oben erwähnte Ansteuerung einzelner Sektoren möglich wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das oder die mikromechanischen Strukturelemente an einer ihrer Seiten mit der auf dem dielektrischen Substrat aufgebrachten Metallschicht eines Sektors verbunden. Der Abstand zwischen Strukturelement und benachbartem Sektor kann variiert werden. Über die Variation des Abstandes erfolgt die Frequenzabstimmung.
  • Es ist auch möglich, daß das oder die mikromechanischen Strukturelemente Bestandteil eines weiteren dielektrischen Substrats sind. Die Spalten sind in der metallischen Oberfläche eines dielektrischen Substrats angeordnet und werden mittels der Strukturelemente eines zweiten Substrats überbrückt. Auf diese Weise wird die Wirkung erzielt, daß der Abstand zwischen allen mikromechanischen Strukturelementen und der Metallschicht des ersten dielektrischen Substrats gleichmäßig variiert werden kann (analoge Frequenzabstimmung). Die Variation des Abstands der mikromechanischen Strukturelemente von den Spalten kann durch piezoelektrische Aktuatoren erfolgen.
  • Ein Resonator mit erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Frequenzabstimmung kann insbesondere für den TE011 oder TE01δ Wellentyp verwendet werden.
  • Im weiteren wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele und der beigefügten Figuren 1 bis 5 näher beschrieben.
  • Figur 1: Anordnung eines abgeschirmten dielektrischen Resonators mit semitransparenter Wand umfassend mikromechanische Strukturelemente.
  • Figur 2: Beispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen semitransparenten Wand (N = 4, k = 1) für den TE011 / TE01δ Wellentyp, wobei die Spalte mittels streifenförmiger mikromechanischer Strukturelemente überbrückt werden (k = 1).
  • Figur 3: Erfindungsgemäße Vorrichtung mit radial verlaufenden Spalten (N = 12), wobei die Spalte mittels streifenförmiger mikromechanischer Strukturelemente überbrückt werden (k = 11).
  • Figur 4: Abstimmbarer Resonator mit piezoelektrischer Aktuatorik.
  • Figur 1 zeigt beispielhaft einen erfindungsgemäßen Resonator bestehend aus einem dielektrischen Zylinder 4, der in einem zylinderförmigen metallischen Abschirmgehäuse 2 angeordnet ist. Die mikromechanische Strukturelemente umfassende semitransparente Wand 3, ist in einem gewissen Abstand parallel zur Stirnseite 1a des Zylinders 1' oberhalb des dielektrischen Zylinders 4 angeordnet. Dadurch bildet die Vorrichtung eine Trennwand zwischen zwei Teilresonatoren. Im vorliegenden Fall ist der untere Teilresonator 1'' ein metallischer Hohlraumresonator mit dielektrischer Füllung 4 (abgeschirmter dielektrischer Resonator) und der obere Teilresonator ein metallischer Hohlraumresonator 1', dessen Transparenz für bestimmte elektromagnetische Wellentypen durch mikromechanische Bewegungen steuerbar ist.
  • Figur 2 zeigt einen möglichen Aufbau einer semitransparenten Wand umfassend mikromechanische Strukturelemente. Es handelt sich beispielhaft um eine Anordnung für den TE011 bzw. TE01δ Wellentyp eines abgeschirmten Hohlraum- bzw. dielektrischen Resonators.
  • Bei dem Aufbau in Fig. 2 handelt es sich um eine metallische Wand, z. B. eine metallische Schicht 24, in der Figur dunkelgrau dargestellt, die auf einem schwarz dargestellten dielektrischem Trägersubstrat 28 angeordnet ist. Angedeutet ist weiter die Anordnung der Vorrichtung in einem metallischen Abschirmgehäuse 22, die der Abschirmung 2 der Figur 1 entspricht. In der metallischen Schicht 24 sind vier radial verlaufende Spalten 25 angeordnet. Die Spalten 25 werden z. B. lithographisch hergestellt und stellen Bereiche ohne Metallisierung dar. Hierdurch wird die metallische Schicht 24 in vier separat ansteuerbare Sektoren unterteilt, von denen nur der Sektor rechts oben mit Bezugszeichen 24 versehen ist. Die vier Spalten 25 verlaufen ausgehend von einer in der Mitte der metallischen Schicht angeordneten Öffnung 26. Die Öffnung 26 weist einen im Vergleich zum Resonatordurchmesser kleinen Durchmesser auf. Da die vom Resonatorfeld des TE011 bzw. TE01δ Wellentyps in die metallische Schicht 24 induzierten hochfrequenten Wechselströme in azimuthaler Richtung verlaufen, bildet jeder Spalt 25 eine Unterbrechung der Stromlinien, die zu einer effektiven Abstrahlung elektromagnetischer Energie in einen oberen Teilresonator 1', wie in Figur 1 dargestellt, führt. Auf diese Weise wird eine Verkopplung beider Teil-Resonatoren 1' und 1'', wie in Fig. 1 dargestellt, realisiert.
  • Bei den im Beispiel dargestellten vier mikromechanischen Strukturelementen 27 handelt es sich um metallische Streifen, die an jeweils einer ihrer Seiten mit der metallischen Schicht 24 verbunden sind. Die mikromechanischen Strukturelemente 27 überbrücken je einen Spalt 25 lokal an dieser Stelle. Nur das rechts angeordnete mikromechanische Strukturelement 27 ist mit Bezugszeichen versehen. Besteht kein Abstand zwischen den Metallstreifen 27 und der Metallschicht 24, so wird der Spalt 25 resistiv überbrückt. In diesem Fall wird an dieser Stelle die Strahlungsankopplung an einen oberen Teilresonator 1', wie in Fig. 1 dargestellt, reduziert, was zu einer Änderung gegenüber einem endlichen Abstand zwischen Metallstreifen 27 und Metallschicht 24, und damit zur Frequenzabstimmung führt. Im Falle eines geringen Abstands zwischen Steifen 27 und Metallschicht 24 ergibt sich durch den Überlapp zwischen Streifen 27 und metallischer Schicht 24 eine zur Spaltkapazität parallel geschaltete Kapazität, dessen Variation durch Abstandsänderung ebenfalls zu einer Frequenzänderung und damit zur Frequenzabstimmung führt.
  • Beispielhaft ergibt die Simulation für einen aus kommerziell erhältlich Mikrowellenkeramiken bestehenden dielektrischen Resonator mit einer Resonanzfrequenz von 1,9 GHz, eine Frequenzänderung von ca. 20 MHz bei einer Änderung des Abstands zwischen vier Streifen 27 auf vier Spalten 25 zwischen null und zehn Mikrometern (Streifen 2 x 5 mm, Spalt 2 mm Durchmesser). Die Resonatorgüte von ca. 30000 ist dabei gegenüber einem entsprechenden Resonator ohne Abstimmvorrichtung kaum verändert.
  • Figur 3 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung für N = 12 Spalten 35 und k = 11 Streifen 37 als mikromechanische Strukturelemente je Spalt 35. Die Spalten 35 verlaufen radial ausgehend von einer kreisförmigen Öffnung 36 ohne Metallisierung. Die Öffnung 36 ist im Zentrum der metallischen Schicht angeordnet. Jeweils nur ein Spalt und ein Streifen sind aus Platzgründen mit Bezugszeichen versehen. Dadurch wird die metallische Schicht 34 in zwölf elektrisch voneinander getrennte und separat ansteuerbare Sektoren unterteilt. Werden die Streifen 37 etwa als freischwebende Cantilever ausgelegt, die an jeweils einer Seite mit der metallischen Schicht 34 verankert sind, so läßt sich eine gewünschte Bewegung der Streifen z. B. durch Verbiegen der Streifen 37 erzeugen. Durch in der MEMS-Technologie bekannte Aktuationsmethoden, wie z. B. elektrostatische Anziehung oder piezoelektrische Verbiegung, läßt sich die gewünschte Abstandsänderung mit extrem schnellen Schaltzeiten von 10 Mikrosekunden bis 10 Millisekunden erreichen. Hier würde z. B. eine sektorweise elektrische Vorspannung zur Betätigung des jeweiligen Aktuationsmechnismus aller mikromechanischen Strukturelemente 37 eines Spaltes 35 führen, so daß der Resonator eine inhärente digitale Spannungs-Frequenz-Charakteristik aufweisen würde.
  • Figur 4 zeigt eine mögliche Anordnung zur analogen gleichförmigen Bewegung aller Streifen 11b, die als strukturierte Metallschicht auf einem dielektrischen Substrat 9b aufgebracht sind, mit Hilfe piezoelektrischer Aktuatoren 10. Das Substrat 9a umfaßt die Spaltanordnung 11a als strukturierte Metallschicht. Dabei wird ein bestehender Luftspalt 8 zwischen den dielektrischen Substraten 9a und 9b, welche mit den strukturierten Metallisierungen 11a und 11b auf den jeweils zueinander gewandten Seiten versehen sind, mit Hilfe von mindestens drei Piezoaktuatoren 10 variiert. In der Bildebene sind nur zwei Piezoaktuatoren 10 gezeigt, von denen nur der in der Bildebene linke Aktuator mit Bezugszeichen versehen ist.
  • Auf diese technologisch leicht zu realisierende Weise können besonders hohe Resonatorgüten erreicht werden, da hier Metallisierungen mit geringen Verlusten (z. B. Silberschichten) verwendet werden können, die in der MEMS-Technologie schwierig zu realisieren sind. Diese Variante eignet sich auch für Metallisierungen aus supraleitenden Metallen, so daß auf diese Weise abstimmbare kryogene Resonatoren mit extrem hoher Güte realisierbar sind. Des weiteren ist für diese Realisierung keine MEMS-Technologie erforderlich. Statt dessen können kommerziell erhältliche piezoelektrische Aktuatoren verwendet werden. Es sind weiterhin gezeigt, der abgeschirmte dielektrische Resonator 41'' als unterer Teilresonator mit dielektrischer Füllung 44, sowie der obere Teilresonator 41'.
  • Die dargestellten Vorrichtungen zur Frequenzabstimmung sind an die Geometrie eines kreiszylindrischen Hohlraumresonators bzw. dielektrischen Resonators angepaßt. Grundsätzlich ist für die Vorrichtung auch eine andere Geometrie als eine kreisförmige vorstellbar, um die Frequenzabstimmung eines Resonators zu erzielen.
  • Eine abstimmbare Filterstruktur umfaßt mehrere miteinander verkoppelte Hohlraumresonatoren und/oder dielektrische Resonatoren mit erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Frequenzabstimmung.
  • Ein abstimmbarer Oszillator umfaßt einen Halbleiterverstärker und einen Hohlraumresonator oder dielektrischen Resonator mit erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Frequenzabstimmung.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur Frequenzabstimmung eines Hohlraumresonators oder dielektrischen Resonators, umfassend eine auf einem dielektrischen Substrat aufgebrachte Metallschicht (24, 34), welche wenigstens einen Spalt (25, 35) aufweist, wobei der Spalt (25, 35) durch mindestens ein mikromechanisches Strukturelement (27, 37) überbrückt wird, dessen Abstand zur Metallschicht (24, 34) variiert werden kann.
  2. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch,
    gekennzeichnet durch,
    eine Vielzahl an Spalten (25, 35).
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    wenigstens einen radial verlaufenden Spalt (25, 35).
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    eine Vielzahl an mikromechanischen Strukturelementen (27, 37).
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mindestens ein mikromechanisches Strukturelement (27, 37) an einer Seite mit der auf dem dielektrischen Substrat aufgebrachten Metallschicht (24, 34) verbunden ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch,
    eine im Vergleich zum Resonatordurchmesser kleine Öffnung (26, 36), welche insbesondere in der Mitte der Metallschicht (24, 34) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das oder die mikromechanischen Strukturelemente (11b) Bestandteile eines weiteren dielektrischen Substrats (9b) sind.
  8. Vorrichtung Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die mikromechanischen Strukturelemente (11b) des weiteren dielektrischen Substrats (9b) die Spalte(n) der metallischen Schicht (11a) eines dielektrischen Substrats (9a) überbrücken.
  9. Hohlraumresonator oder dielektrischer Resonator, umfassend eine Vorrichtung zur Frequenzabstimmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Hohlraumresonator oder dielektrischer Resonator nach Anspruch 9 mit weiteren-Elementen zur Ankopplung.
  11. Abstimmbare Filterstruktur umfassend mehrere miteinander verkoppelte Hohlraumresonatoren und/oder dielektrische Resonatoren nach Anspruch 9 oder 10.
  12. Abstimmbarer Oszillator umfassend einen Halbleiterverstärker und einen Hohlraumresonator oder dielektrischen Resonator nach Anspruch 9 oder 10.
  13. Verwendung eines Hohlraumresonators oder dielektrischen Resonators nach Anspruch 9 oder 10 zur Frequenzabstimmung eines TE011 oder TE01δ Wellentyps.
EP03025954A 2002-12-10 2003-11-13 Vorrichtung zur Frequenzabstimmung eines Hohlraumresonators oder dielektrischen Resonators Expired - Lifetime EP1429457B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10257822A DE10257822B3 (de) 2002-12-10 2002-12-10 Vorrichtung zur Frequenzabstimmung eines Hohlraumresonators oder dielektrischen Resonators
DE10257822 2002-12-10

Publications (3)

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