ES2230418T3 - Oscilador multifrecuencia con resonador dielectrico. - Google Patents

Oscilador multifrecuencia con resonador dielectrico.

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Abstract

Circuito oscilador que incluye un resonador dieléctrico (DR) situado próximo a un conductor de acoplamiento (CL) que segura el acoplamiento con el resto del circuito oscilador, estando situado dicho resonador (DR) y dicho conductor de acoplamiento (CL) en el interior de una cavidad (CAV) caracterizado porque incluye: - al menos un par de conductores interferentes (30, 31) situados en la cavidad (CAV) próximos al resonador (DR), - unos medios de conmutación (33, Z1, Z2, control) que pueden o no establecer un contacto eléctrico entre los conductores interferentes (30, 31).

Description

Oscilador multifrecuencia con resonador dieléctrico.
La invención se refiere a un oscilador multifrecuencia con resonador dieléctrico y, más especialmente, a osciladores que operan en frecuencias de microondas.
Los osciladores de microondas se utilizan en sistemas de transmisión y, más especialmente, próximos a la antena a fin de efectuar una transposición de frecuencias entre una banda de frecuencias intermedia y una banda de frecuencias de transmisión. La transposición de frecuencias se debe a la utilización de dos unidades, una que por lo general está situada en el interior de un edificio, y la otra que suele estar situada en el exterior próximo a la antena. Las unidades interior y exterior están conectadas mediante un conductor eléctrico, por ejemplo un cable coaxial, lo que implica elevadas pérdidas a las frecuencias de transmisión utilizadas, por ejemplo superiores a 10 GHz.
Los sistemas de comunicación utilizan con cada vez más frecuencia elevadas frecuencias de transmisión, así como unas bandas de frecuencia cada vez más amplias. Una sola transposición de frecuencias implica la utilización de una banda que es igual de amplia para las frecuencias intermedias que para la frecuencia de transmisión. Sin embargo, el uso de un ancho de banda de frecuencias intermedias mayor de un GHz presenta problemas de realización. Esto se debe a que las pérdidas en el cable coaxial que conecta las unidades interior y exterior varían significativamente a lo largo del ancho de banda intermedio. Además, resulta costoso producir un sintetizador de frecuencias que sea capaz de proporcionar la agilidad necesaria en términos de frecuencia que se precisa para explorar unas bandas de frecuencias intermedias muy amplias.
A fin de obtener una banda de frecuencias intermedias que sea más estrecha que la banda de transmisión es posible segmentar la banda de transmisión antes de proceder a su transposición. Esta segmentación puede llevarse a cabo utilizando varios osciladores conmutados en la unidad externa. Dependiendo del oscilador seleccionado, la banda de frecuencias intermedias recibe tan sólo parte de la banda de transmisión, correspondiendo dicha parte a la frecuencia seleccionada.
Los osciladores de resonador dieléctrico suelen utilizarse normalmente en unidades con sistemas de transmisión externos. Los resonadores dieléctricos suelen utilizarse en un bucle de realimentación, por ejemplo como el mostrado en una de las figuras 1A o 1B. El acoplamiento entre el resonador dieléctrico DR y el circuito eléctrico se produce aproximando un resonador dieléctrico DR y un conductor CL del circuito eléctrico, siendo el conductor, por ejemplo, una línea de microbanda. La situación del resonador dieléctrico ejercerá un efecto directo sobre el grado de acoplamiento, la potencia de salida del oscilador, la estabilidad de frecuencias y la frecuencia del oscilador.
La frecuencia de oscilación de un oscilador con resonador dieléctrico depende de sus dimensiones y de las propiedades electromagnéticas de su entorno. Para poder controlar estos factores, el resonador se sitúa en una cavidad apantallada a través de la cual pasa el conductor. La figura 2 muestra una realización de este tipo en la cual una línea de microbanda CL atraviese una cavidad apantallada CAV en cuyo interior se encuentra un resonador dieléctrico DR. El resonador DR está sujeto en la cavidad mediante arandelas (no mostradas). Para conocer más detalles sobre la fabricación de osciladores con resonador dieléctrico, cualquier persona versada en la materia puede remitirse al libro titulado "Dielectric Resonators", 2ª edición, de Darko Kajfez y Pierre Guillon, publicado en 1998 por Noble Publishing Corporation.
Una solución conocida para obtener diversas frecuencias a partir de osciladores con resonador dieléctrico consiste en utilizar varios osciladores y conmutar sus salidas. El aumento del número de osciladores implica un aumento de las dimensiones de los circuitos situados en la unidad externa. Otra solución conocida, publicada en US-4733199 A, utiliza un solo oscilador con varios circuitos con resonador dieléctrico conmutados.
La invención tiene por objeto reducir las dimensiones de las unidades externas utilizando varias frecuencias de transposición. Para ello, la invención proporciona un oscilador con resonador dieléctrico cuya frecuencia de oscilación puede adoptar diversos valores. El dispositivo de la invención utiliza conductores conmutados interferentes, próximos al resonador dieléctrico a fin de variar la frecuencia del oscilador utilizando un solo resonador. Los conductores interferentes se comportan bien como dos conductores independientes o como un plano metálico.
La invención consiste en un circuito oscilador que incluye un resonador dieléctrico situado próximo a un conductor de acoplamiento que facilita el acoplamiento con el resto del circuito oscilador, estando situados dicho resonador y dicho conductor de acoplamiento en una cavidad. El circuito oscilador comprende al menos un par de conductores interferentes situados en la cavidad cercana al resonador. Mediante unos medios de conmutación se puede o no establecer un contacto eléctrico entre los conductores interferentes.
La invención se comprenderá mejor, y otras características y ventajas específicas se harán más evidentes, mediante la lectura de la siguiente descripción, la cual hace referencia a los dibujos adjuntos, entre los cuales:
Las figuras 1A y 1B muestran diagramas de circuito de osciladores con resonador dieléctrico.
La figura 2 muestra el conjunto de un resonador de acuerdo con la técnica anterior.
Las figuras 3 a 5 detallan el conjunto de un resonador dieléctrico desde diferentes vistas y aspectos de acuerdo con la invención.
La figura 6 muestra una mejora en el conjunto mostrado en las figuras 3 a 5.
La figura 7 muestra una variante de la invención.
Como se ha indicado anteriormente, las figuras 1A y 1B muestran circuitos osciladores con resonador dieléctrico. Estos circuitos osciladores eléctricos pueden utilizarse con la invención y con otros circuitos conocidos en los cuales la frecuencia del oscilador tan sólo está determinada por el resonador DR y su entorno.
La figura 3 muestra en perspectiva el conjunto del resonador dieléctrico DR en las cercanías de la línea conductora CL del circuito oscilador de una de las figuras 1A o 1B. La figura 4 muestra una vista lateral del conjunto.
Una cavidad apantallada CAV rodea al resonador DR a fin de aislarlo frente a interferencias electromagnéticas externas. La cavidad CAV consiste, por ejemplo, en una cubierta metálica conectada a tierra. Un sustrato 10 cierra la cavidad apantallada CAV. El sustrato 10 comprende, en la cara situada en el interior de la cavidad CAV, el conductor CL fabricado, por ejemplo, mediante una línea de microbanda. En la cara del sustrato 10 situada en el exterior de la cavidad, un plano de tierra proporciona el sellado electromagnético. Los orificios 15 situados en cualquiera de los lados de la cavidad CAV permiten que la atraviese el conductor CL. El sustrato 10 se extiende más allá de la cavidad y soporta el resto del circuito oscilador.
Un segundo sustrato 20 se mantiene, por ejemplo, mediante pegamento en el interior de la cavidad CAV. El resonador DR está pegado sobre una de las caras del segundo sustrato 20. El resonador DR está situado en el segundo sustrato 20 y el segundo sustrato 20 se encuentra en la cavidad CAV para garantizar el acoplamiento entre el resonador DR y el conductor CL de acuerdo con una técnica conocida.
El segundo sustrato 20 incluye en la cara opuesta al resonador dos conductores interferentes 30 y 31. Los conductores interferentes 30 y 31 se producen, por ejemplo, utilizando líneas impresas. A fin de prevenir el acoplamiento parásito entre los conductores interferentes 30 y 31 y el conductor CL, los conductores interferentes 30 y 31 se encuentran preferiblemente orientados a lo largo de unos planos perpendiculares al conductor CL. Las líneas del campo magnético del resonador DR, en el segundo sustrato 20, son preferiblemente perpendiculares a dicho sustrato.
La figura 5 muestra los aspectos operativos de la invención. Los conductores interferentes 30 y 31 se encuentran situados simétricamente por encima del resonador DR. La longitud de los conductores interferentes es sustancialmente equivalente a la mitad de la longitud de onda de la frecuencia más baja que se desea obtener, teniendo en cuenta la longitud de onda del medio de propagación de la onda, que en el ejemplo descrito es el sustrato. El resonador DR debería estar centrado con respecto a los conductores interferentes 30 y 31. Los conductores interferentes 30 y 31 se encuentran situados en cualquiera de los lados del resonador DR para no tapar la mayor parte de la superficie del resonador DR. Además, la combinación de los conductores interferentes 30 y 31 define una superficie cuyas dimensiones son superiores a las de la superficie del resonador DR.
El conductor interferente 30 está conectado a tierra mediante la correspondiente impedancia Z1. El conductor interferente 31 está conectado a una línea de control mediante la correspondiente impedancia Z2. Las correspondientes impedancias Z1 y Z2 se comportan como filtros paso-bajo que son equivalentes a cortocircuitos a baja frecuencia y a circuitos abiertos en las gamas de frecuencia del oscilador. Los conductores interferentes 30 y 31 están conectados entre sí, preferiblemente en su parte central, mediante un diodo 33, por ejemplo del tipo PIN. La línea de control puede adoptar dos estados correspondientes a un primer y a un segundo estados de control. Las impedancias Z1 y Z2, el diodo 33 y la línea de control forman un circuito de conmutación que se sitúa en el segundo sustrato 20.
En un primer estado de control, la línea de control está a un potencial tal que el diodo 33 está desconectado. En este primer estado de control, los conductores interferentes 30 y 31 son eléctricamente independientes. El campo magnético se propaga a través del segundo sustrato hasta la superficie superior de la cavidad. El acoplamiento del campo magnético desarrollado por el resonador DR será entonces máximo entre los conductores interferentes 30 y 31. La frecuencia de oscilación corresponde a una frecuencia de funcionamiento baja cuyo valor depende de la longitud y de la anchura de los conductores interferentes en el espacio situado entre los conductores interferentes y del tamaño de la cavidad.
En un segundo estado de control, la línea de control está a un voltaje positivo que es suficiente para que el diodo 33 pase a ser conductor. El diodo 33 se conecta y los conductores interferentes 30 y 31 se encuentran eléctricamente conectados. Entonces, los dos conductores interferentes 30 y 31 se comportan como un plano de metal interferente con una anchura L. El plano metálico interferente desconecta el campo magnético del resonador DR a una distancia virtualmente cero correspondiente al espesor del sustrato. La frecuencia de oscilación se corresponde con la frecuencia máxima del resonador DR. El potencial entre los conductores interferentes 30 y 31 se corresponde con el voltaje umbral del diodo 33, si bien a las frecuencias de oscilación, las variaciones en el potencial son las mismas en ambos conductores interferentes.
A modo de ejemplo, el acoplamiento de un resonador dieléctrico con una frecuencia nominal de 9,9 GHz con unos conductores interferentes realizados utilizando líneas de microbanda con una longitud de 9,1 mm, una anchura de 3,5 mm y una separación de 2,5 mm permite obtener una baja frecuencia de 9 GHz y una alta frecuencia de 10,9 GHz.
Para obtener diferentes frecuencias con el mismo resonador, es posible desplazar el plano en el cual se encuentran situados los conductores interferentes a fin de reducir la frecuencia más alta. También es posible dimensionar de forma diferente los conductores interferentes a fin de variar la frecuencia más baja.
Para reducir las limitaciones de diseño y las dimensiones del dispositivo de la invención, es posible recurrir a unos tornillos de ajuste. La figura 6 muestra una posible forma de colocar los tornillos permitiendo el ajuste de las frecuencias superior e inferior. Un primer tornillo 40 atraviesa la cavidad CAV situada en la parte superior a través del eje magnético del resonador DR. Un segundo tornillo 50 atraviesa la cavidad a través de una pared lateral perpendicular al eje magnético del resonador DR, estando situado el resonador DR a lo largo del eje del tornillo. El primer y el segundo tornillo permiten el ajuste independiente de la frecuencia superior y de la frecuencia inferior.
En el segundo estado de control, los conductores interferentes 30 y 31 forman un plano metálico por encima del resonador DR. El primer tornillo 40 resulta ineficaz. La frecuencia superior puede ajustarse utilizando el segundo tornillo 50.
En el primer estado de control, los conductores interferentes 30 y 31 permiten que el campo magnético atraviese la parte superior de la cavidad que forma un plano metálico visible. El grado de inserción del primer tornillo perturba el campo magnético, lo que permite el ajuste de la frecuencia inferior.
La invención también hace posible obtener un oscilador conmutado que puede suministrar más de dos frecuencias. La figura 7 muestra una realización en la cual un tercer sustrato 39 se encuentra situado por encima del segundo sustrato 20. El tercer sustrato 39 incluye dos conductores interferentes 41 y 42 y un circuito de conmutación similar al mostrado en la figura 5. Los conductores interferentes 41 y 42 son paralelos a los conductores interferentes 30 y 31. El conductor 41, situado por encima del conductor interferentes 30, está conectado a tierra. Dependiendo de los diversos estados de control de los circuitos de conmutación, existen tres posibilidades de funcionamiento.
De acuerdo con un primer estado, los conductores interferentes 30 y 31 forman un primer plano metálico que se corresponde con una frecuencia de funcionamiento elevada. Este estado es independiente de los conductores 41 y 42.
De acuerdo con un segundo estado, los conductores 30 y 31 no están eléctricamente conectados y los conductores 41 y 42 forman un plano metálico a una distancia diferente del resonador DR. Este estado se corresponde con una frecuencia de funcionamiento intermedia.
De acuerdo con un tercer estado, los conductores 30, 31, 41 y 42 se hacen independientes. Este estado se corresponde con una baja frecuencia de funcionamiento.
La adición de otros sustratos que soporten otros conductores interferentes permite la obtención de otras frecuencias de funcionamiento. Para n sustratos, se obtienen n + 1 frecuencias de funcionamiento.
Son posibles otras realizaciones.
Las realizaciones precedentes describen un sustrato 20 que soporta por una parte al resonador DR y, por otra parte, a los conductores 30 y 31 obtenidos mediante líneas impresas en cobre. Esta solución es sencilla y eficaz. No obstante, es posible sujetar el resonador utilizando espaciadores distintos del sustrato. También es posible recurrir a conductores distintos de las líneas impresas y sujetos en la cavidad mediante cualquier medio. De igual modo, no es necesario que los conductores 30 y 31 estén situados en un plano perpendicular a las líneas del campo magnético procedentes del resonador DR. La conmutación de dos conductores lineales que puede o no crear un plano metálico hace posible disponer de dos frecuencias de funcionamiento distintas. La realización propuesta resulta ser la solución más fácil de realizar.
De igual modo, la figura 5 muestra los conductores interferentes con el circuito de conmutación. Este circuito se ajusta en función del diodo y de los voltajes de control que se desean utilizar. El comportamiento a baja frecuencia de las impedancias puede ser equivalente a una resistencia de polarización que actúa limitando la intensidad. Asimismo, se ha elegido conectar Z1 a tierra, lo que permite desconectar el diodo mediante un voltaje de control cercano a cero voltios. No es necesario decir que son posibles otras opciones. De forma más general, puede utilizarse cualquier otro tipo de circuito de conmutación siempre y cuando permita que los dos conductores interferentes estén conectados eléctricamente al menos para las frecuencias altas.
En la realización descrita, la cavidad CAV está cerrada mediante el sustrato 10 que está cubierto con un plano de tierra y que soporta al conductor CL. Como variante, es posible utilizar una cavidad metálica cerrada a través de la cual simplemente pasa un hilo conductor.
En la presente descripción, la cavidad tiene forma rectangular. No es necesario decir que pueden utilizarse otras formas de cavidad, especialmente cavidades cilíndricas.

Claims (8)

1. Circuito oscilador que incluye un resonador dieléctrico (DR) situado próximo a un conductor de acoplamiento (CL) que segura el acoplamiento con el resto del circuito oscilador, estando situado dicho resonador (DR) y dicho conductor de acoplamiento (CL) en el interior de una cavidad (CAV) caracterizado porque incluye:
-
al menos un par de conductores interferentes (30, 31) situados en la cavidad (CAV) próximos al resonador (DR),
-
unos medios de conmutación (33, Z1, Z2, control) que pueden o no establecer un contacto eléctrico entre los conductores interferentes (30, 31).
2. Circuito de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de conmutación (33, Z1, Z2, control) incluyen un diodo (33) situado entre los conductores interferentes (30, 31).
3. Circuito de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el punto de contacto entre el diodo (33) y cada uno de los conductores interferentes (30, 31) está situado en el centro de cada uno de los conductores interferentes (30, 31).
4. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la longitud de los conductores interferentes (30, 31) es sustancialmente idéntica a la mitad de la longitud de onda de la frecuencia más baja que el circuito oscilador puede proporcionar.
5. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye un sustrato (20) con dos caras opuestas, estando el resonador (DR) pegado a una de dichas caras, y los conductores interferentes (30, 31) están realizados en la otra cara mediante líneas impresas.
6. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el conductor de acoplamiento (CL) y los conductores interferentes (30, 31) son rectilíneos y porque los conductores interferentes (30, 31) son perpendiculares al conductor de acoplamiento (CL).
7. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye un segundo par de conductores interferentes (41, 42) situados en la cavidad (CAV) y unos segundos medios de conmutación para poder conmutar el segundo par de conductores interferentes (41,
42).
8. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los conductores interferentes (30, 31) están situados en un plano perpendicular al campo magnético procedente del resonador dieléctrico (DR).
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