FI88227B - Dielektrisk resonator - Google Patents

Description

1 88227

Dielektrinen resonaattori

Keksinnön kohteena on dielektrinen resonaattori, joka käsittää kaksi sylinterimäistä, dielektrisestä mate-5 riaalista valmistettua sylinterimäistä kiekkoa.

Viime aikoina ovat ns. dielektriset resonaattorit tulleet entistä kinnostavimmiksi suurtaajuus- ja mikroaal-toalueen resonaattorirakenteiksi, koska perinteisiin reso-naattorirakenteisiin verrattuna niilä on mahdollista saa-10 vuttaa mm. seuraavia etuja: pienemmät piirikoot, parempi integrointiaste, parempi suorituskyky sekä alhaisemmat valmistuskustannukset. Dielektrisenä, korkean Q-arvon resonaattorina voi toimia mikä tahansa yksinkertaisen geometrisen muodon omaava kappale, jonka materiaalilla on 15 pienet dielektriset häviöt ja korkea suhteellinen dielekt-risyysvakio. Valmistusteknisistä syistä dielektrinen resonaattori on yleensä sylinterin muotoinen, esim. sylinteri-mäinen kiekko.

Dielektristen resonaattoreiden rakennetta ja toi-20 mintaa on kuvattu mm. seuraavissa artikkeleissa: [1] "Ceramic Resonators for Highly Stable Oscillators", Gundolf Kuchler, Siemens Components XXIV (1989) No.5, p. 180-183.

[2] "Microwave Dielectric Resonators", S. Jerry Fied-.'·; 25 ziuszko, Microwave Journal, September 1986, p. 189-189.

[3] "Cylindrical Dielectric Resonators and Their Applications in TEM Line Microwave Circuits", Marian W. Pospies-zalski, IEEE Trannsactions on Microwave Theory and Techniques, VOL. MTT-27, NO. 3, March 1979, p. 233-238.

• 30 Dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuus mää räytyy ensijaisesti resonaattorikappaleen dimensioista. Toinen resonanssitaajuuteen vaikuttava seikka on resonaat-• · torin ympäristö. Tuomalla metallinen tai muu johtava pinta lähelle resonaattoria voidaan tarkoituksellisesti vaikut-35 taa resonaattorin sähkö- tai magneettikenttään ja sitä 2 88227 kautta resonanssitaajuuteen. Tyypillisessä dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuuden säätömenetelmässä sääde-täänkin johtavan metallitason etäisyyttä resonaattorin tasopinnasta. Eräs tälläinen säätömekanismi on resonaat-5 toria ympäröivään koteloon kiinnitetty säätöruuvi.

Tällaiselle säätömenetelmälle on kuitenkin ominaista, että resonanssitaajuus muuttuu epälineaarisesti säätö-etäisyyden funktiona. Tästä epälineaarisuudesta ja suuresta säätöjyrkkyydestä johtuen resonanssitaajuuden säätämi-10 nen tarkasti, erityisesti säätöalueen yläpäässä, on hankalaa ja tarkkuutta vaativaa. Lisäksi kuormittamaton Q-arvo muuttuu johtavan tason etäisyyden funktiona.

Q-arvo saadaan pysymään vakiona ja taajuudensäätö saadaan lineaarisemmaksi laajemmalla alueella käyttämällä 15 johtava säätötason tai -levyn sijasta dielektristä säätö-levyä, jonka etäisyyttä resonaattorin tasopinnasta säädetään. Edellä mainitussa artikkelissa [2] on kuvassa 7 esitetty tämän ratkaisun muunnelmana ns. kaksoisresonaattori-rakenne, jossa kaksi sylinterimäistä dielektristä reso-20 naattorikiekkoa on asetettu sama-akselisesti lähekkäin siten, että niiden tasopintojen välistä etäisyyttä voidaan säätää siirtämällä kiekkoja niiden yhteisen akselin suunnassa. Tässäkin tapauksessa säätökäyrä on edelleen jyrkkä, minkä lisäksi kaksoisresonaattorirakenne on kookkaampi ja 25 monimutkaisempi kuin tavanomainen säätölevyä käyttävä ra kenne.

Keksinnön päämääränä on dielektrinen resonaattori-rakenne, jossa on resonanssitaajuuden säätö on aikaisempaa tarkempi.

30 Tämä saavutetaan alussa esitetyn tyyppisellä di- elektrisellä resonaattorilla, jolle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista, että kiekot on sijoitettu tasopinnat toisiaan vasten, ja että kiekot ovat säteittäissuunnassa siirrettävissä toistensa suhteen resonaattorin resonanssi-• 35 taajuuden säätämiseksi.

3 88227

Keksinnön perusajatuksena on että näennäisesti yhtenäisen resonaattorin muodostaa kaksi toisiaan vasten asetettua dielektristä kiekkoa, joiden siirtäminen säteit-täissuunnassa toistensa suhteen muuttaa resonaattorin muo-. 5 toa, jolloin resonaattorin sähkö- ja magneettikenttien normaalien kenttäkuvioiden muuttuminen aiheuttaa resonans-sitaajuuden muuttumisen. Keksinnön avulla saadaan suhteellisen lineaarinen ja aikaisempaa loivempi resonanssitaa-juuden säätökäyrä, samalla kun resonaattorin kuormittama-10 ton Q-arvo säilyy säädön aikana korkeana ja vakiona. Myös lämpötilakompensoinnin tarkkuus on resonanssitaajuuden säädöstä riippumaton. Resonaattorin mekaaninen rakenne on yksinkertaisempi ja koko pienempi kuin tunnetuilla resonaattoreilla.

15 Keksintöä selitetään seuraavassa yksityiskohtaisem min suoritusesimerkkien avulla viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuviot 1 ja 2 esittävät sivupoikkileikkauskuvina erästä keksinnön mukaista dielektristä resonaattoria kah-20 dessa dielektristen kiekkojen asennossa, ja kuvio 3 esittää kuvaajat, jotka havainnollistavat tunnetun metallitasolla säädettävän resonaattorin sekä kuvioiden 1 ja 2 resonaattorirakenteiden resonanssitaajuu-den säätökäyriä säätömatkan L funktiona.

; 25 Tässä termillä dielektrinen resonaattori tarkoite taan yleisesti mitä tahansa sopivan geometrisen muodon omaavaa kappaletta, jonka valmistusmateriaalilla on pienet dielekriset häviöt ja korkea suhteellinen dielektrisyys-vakio. Valmistusteknisistä syistä dielekrinen resonaattori 30 on yleensä sylinterin muotoinen, esim. sylinterimäinen kiekko. Käytetyin materiaali on keraaminen materiaali.

Dielektristen resonaattoreiden rakennetta, toimintaa ja niiden keraamisia valmistusmateriaaleja on kuvattu mm. edellä mainituissa artikkeleissa [1], [2] ja [3], jot-35 ka sisällytetään tähän hakemukseen viitteinä. Seuraavassa 4 88227 selityksessä dielektrisen resonaattorin rakennetta kuvataan vain keksinnön ymmärtämisen kannalta oleellisilta osin.

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön ensisijaisen suo-5 ritusmuodon mukainen dielektrinen resonaattorirakenne, joka käsittää sähköä johtavasta materiaalista (kuten metallista) valmistetun kotelon 2 sisäänsä rajoittamaan onkaloon 5 sijoitettuina dielektrisen, sylinterimäisen resonaattorin 3. Kotelo 1 on kytketty maapotentiaaliin. Di-10 elektrinen resonaattori 3, joka on tyypillisesti valmistettu keraamisesta materiaalista, on sijoitettu kiinteälle etäisyydelle kotelon 1 pohjasta sopivasta dielektrisestä tai eristemateriaalista, kuten polystyreenista, valmistetun tukijalan 4 varaan.

15 Dielektrisen resonaattorin sähkömagneettiset kentät ulottuu resonaattorikappaleen ulkopuolelle, joten se voidaan helposti kytkeä muuhun resonaattoripiiriin sähkömag-neettisesti hyvin monella tavalla sovellutuksesta riippuen, esim. dielektrisen resonaattorin läheisyyteen sijoi-20 tetulla mikroliuskajohtimella, taivutetulla koaksiaalijohtimella, tavallisella suoralla johtimella, jne. Kuviossa 1 on esimerkkinä esitetty kytkeytyminen resonaattoriin 3 koaksiaalikaapelin 6 taivutetun keskijohtimen 6A avulla.

Dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuus mää-; 25 räytyy ensijaisesti resonaattorikappaleen dimensioista.

Toinen resonanssitaajuuteen vaikuttava seikka on resonaattorin ympäristö. Tuomalla metallinen tai muu johtava pinta lähelle resonaattoria voidaan tarkoituksellisesti vaikuttaa resonaattorin sähkö- tai magneettikenttään ja sitä . 30 kautta resonanssitaajuuteen. Samanlainen vaikutus on myös dielektrisen kappaleen tuomisella resonaattorin läheisyyteen, paitsi että tällöin resonaattorin kuormittamaton Q-arvo ei muutu.

Keksinnön mukainen resonaattori 3 muodostuu kahdes-.35 ta sylinterimäisestä kiekosta 3A ja 3B, jotka on valmis- 5 88227 tettu dielektrisestä materiaalista, kuten keraamisesta materiaalista. Kiekot 3A ja 3B on sijoitettu tasopinnat toisiaan vasten siten, että kiekot ovat säteittäissuunnas-sa siirrettävissä toistensa suhteen. Keksinnön ensisijai-5 sessa suoritusmuodossa kiekko 3B on oleellisesti paksumpi kuin kiekko 3A. Paksumpi kiekko 3B on alapinnaltaan tuettu kiinteästi paikoilleen tukijalkaan, kun taas ylinnä oleva ohuempi kiekko 3A on kiekon 3B yläpintaa pitkin liukuvasti siirrettävissä säteittäissuunnassa kiekon 3B suhteen reso-10 naattorin 3 muodon muuttamiseksi. Säätömekanismi voi olla esimerkiksi metallinen tai keraaminen säätösauva 7, joka on kiinnitetty eristevälikappaleella kiekon 3a reunaan

Kuviossa 1 kiekot 3A ja 3B on asetettu oleellisesti samanakselisesti, jolloin resonaattorin 3 perusmitoitus 15 voidaan tehdä samalla tavoin kuin tavanomaiselle säännönmukaiselle sylinterimäiselle kiekolle. Kiekkojen 3A ja 3B keskiakselien välinen säteittäissuuntainen siirtymä L on siten nolla ja resonaattori on viritetty resonanssitaajuu-delle ίχ. Kun resonanssitaajuutta halutaan säätää, reso-20 naattorin 3 ulkomuotoa ja kenttäkuvioita "vääristetään" siirtämällä kiekkoja 3A ja 3B säteittäissuunnassa toistensa suhteen eli muuttamalla kiekkojen keskiakselien välistä säteittäissuuntaista siirtymää L. Kuviossa 2 on esitetty tilanne, jossa L=x ja resonanssitaajuus vastaavasti f2.

25 Kuvion 3 kuvaaja A havainnollistaa resonanssitaa- juuden f muuttumista taajuusalueella 935 MHz - 960 MHz säteittäissuuntaisen siirtymän L funktiona kuvioiden 1 ja 2 resonaattorirakenteessa. Kuten kuviosta 3 voidaan nähdä, keksinnön mukaisen resonaattorin resonanssitaajuden 30 säätökäyrä A on hyvin lineaarinen ja hyvin loiva verrattuna esimerkiksi tavanomaisen metallitasosäädöllä varus-·:*·; tetun resonaattorirakenteen vastaavaan säätökäyrään B, ____: joka on myös esitetty kuviossa 3. Keksinnön mukaisen resonaattorin lineaarisempi ja loivempi säätökäyrä merkitsee 35 huomattavasti parantunutta resonanssitaajuuden säätötark- 6 38227 kuutta.

Kiekkojen 3A ja 3B paksuuserolla voidaan vaikuttaa säätökäyrän A jyrkkyyteen, sillä mitä suurempi paksuusero on sitä loivempi on säätökäyrä A ja pienempi kokonaissää-5 töalue.

Edellä keksintöä on esimerkinomaisesti kuvattu tietyn suoritusmuodon avulla. Kuten alan ammattimiehelle on edellä esitetyn perusteella ilmeistä, keksinnön mukaista säätöperiaatetta voidaan kuitenkin soveltaa kaikissa di-10 elektrisissä resonaattorirakenteissa perinteisten säätö- ratkaisujen tilalla. Muutamia esimerkkejä mahdollisista rakenteista on annettu aikaisemmin mainituissa artikkeleissa [1]—[3].

Kuviot ja niihin liittyvä selitys onkin tarkoitettu 15 vain havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Yksityis kohdiltaan keksinnön mukainen resonaattorirakenne voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa ja hengessä.

Claims (5)

7 88227 Patentt ivaat imukset

1. Dielektrinen resonaattori (3), joka käsittää kaksi sylinterimäistä, dielektrisestä materiaalista val-5 mistettua sylinterimäistä kiekkoa, tunnettu siitä, että kiekot (3A,3B) on sijoitettu tasopinnat toisiaan vasten, ja että kiekot (3A,3B) ovat säteittäissuunnassa siirrettävissä toistensa suhteen resonaattorin (3) reso-nanssitaajuuden säätämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen resonaattori, tunnettu siitä, että yksi (3B) kiekoista on oleellisesti paksumpi kuin toinen kiekko (3A).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen resonaattori, tunnettu siitä, että paksumpi kiekko (3B) on tuet- 15 tu kiinteästi paikoilleen, ja että ohuempi kiekko (3A) on siirrettävissä säteittäissuunnassa paksumman kiekon suhteen.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen resonaattori, tunnettu siitä, että resonaattori (3) on sijoitet- 20 tu sähköä johtavasta materiaalista valmistetun kotelon (2) rajoittaman onkalon (5) sisään.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen * resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että dielekt rinen materiaali on keraaminen materiaali. e 88227