FI94191C

FI94191C - Koaksiaaliresonaattorirakenne

Info

Publication number: FI94191C
Application number: FI934246A
Authority: FI
Inventors: Aimo Turunen; Heli Jantunen
Original assignee: Verdera Oy
Priority date: 1993-09-28
Filing date: 1993-09-28
Publication date: 1995-07-25
Also published as: FI934246A0; FI94191B; US5734306A; AU7616294A; WO1995009453A1; CN1058586C; CN1132571A; EP0721677A1; EP0721677B1; ES2152330T3; RU2142180C1; DE69426392D1; DE69426392T2

Description

94191

Koaksiaaliresonaattorirakenne -. Koaksialresonatorkonstruktion

Keksintö kohdistuu koaksiaaliresonaattorirakenteeseen, 5 jossa on keskijohdin ja sitä koaksiaalisesti ympäröivä johtava ulkovaippa. Keskijohtimen ja ulkovaipan välissä on eristekerros, joka voi olla esimerkiksi keräämiä tai ilmaa.

Tunnetusti koaksiaaliresonaattori voidaan valmistaa kelo raamipalasta, joka käsittää alapinnan, yläpinnan ja sivupinnat. Keraamipalassa on yläpinnalta alapinnalle ulottuva reikä, joka on pinnoitettu johtavalla materiaalilla. Reikä muodostaa resonaattorin keskijohtimen. Ulkovaippa muodostuu keraamipalan ulkopintojen johtavasta pinnoituk-15 sesta. Ulkopintojen pinnoitus kattaa sivupinnat ja alapinnan ainakin pääosin. Keraamipalan yläpinta on pinnoit-tamaton ainakin keskijohtimen muodostavan reiän ympäristössä. Keskijohdinpinnoitus yhtyy ulkovaipan pinnoitukseen palan alapinnalla. Keraamipalalle valmistetusta ko-20 aksiaaliresonaattorista käytetään myös nimitystä keraami-resonaattori.

I Keraamiresonaattorit ovat käyttökelpoisia erityisesti ra diotaajuisissa laitteissa, joiden taajuusalue ulottuu yli 1000 MHz:iin. Hyvin suurilla taajuuksilla resonaattorin 25 keskijohtimen pituus, joka vastaa noin neljännesaallon pituutta, on vain muutamia millimetrejä.

Keraamiresonaattorit ovat valmistusteknisesti ongelmalli sia. Keraamipalan työstäminen on jo sinänsä hankalaa, sillä keraami on erittäin kovaa materiaalia. Erikokoisten 30 keraamiresonaattorien valmistamiseksi pitää kutakin kokoa varten olla tähän tarkoitukseen valmistettu oma työkalunsa, joka puristaa resonaattorin lopulliseen muotoonsa 2 g Λ 1 Q 1

/‘ti/ I

ja pistää reiän keraamipalaan. Puristuksen jälkeen keraa-miseoksen ylimääräiset seosaineet poltetaan pois ja lopulta keraamikappale sintrataan n. 1200 °C lämpötilassa. Valmistukseen tarkoitetut erityistyökalut ovat kalliita 5 ja ne kuluvat helposti keraamimateriaalia käsiteltäessä.

Työkalun kulumisen seurauksena keraamipalojen dimensiot muuttuvat, jolloin esimerkiksi resonaattorin ulkovaipan ja keskijohtimena toimivan johtavaksi pinnoitetun reiän halkaisijoiden välinen suhde ei ole enää optimaalinen.

10 Tästä on seurauksena resonaattorin sähköisten ominaisuuksien muuttuminen. Erittäin pienikokoisia resonaattoreita valmistettaessa reiän tekemiseen tarkoitettu työkalun osa, pistin, on niin ohut, ettei se kestä puristuksen painetta vaan murtuu helposti.

15 Myöskin suodattimen valmistaminen on hankalaa. Suodatinta valmistettaessa samaan keraamipalaan pistetään useampia reikiä, jotka kaikki toimivat resonaattoreina. Reikien välille muodostuva induktiivinen ja kapasitiivinen kytkentä pyritään hallitsemaan mm. mitoittamalla reikien vä-20 liset etäisyydet sopiviksi. Valmistus- tai työkalutekni-sistä syistä suodattimen resonaattorien välinen kytkentä ei kuitenkaan aina täytä asetettuja vaatimuksia. Tunnettu tekniikka tarjoaa useitakin menetelmiä ja rakenteita resonaattorien välisen kytkennän säätämiseksi. Säätö voi 25 tapahtua esimerkiksi suomalaisen patenttijulkaisun 87407 mukaisesti keraamipalan pinnassa olevalla johdinkuvioin-nilla. Mikään tunnetuista menetelmistä ei pysty poistamaan ongelmaa eli 'siirtämään reikää toiseen paikkaan'.

Usein virheellinen komponentti on hylättävä kokonaan, 30 jolloin tuotantolinjan saanto pienenee.

«

Eräs valmistusongelma liittyy itse työkalun valmistukseen. Työkalun ensimmäinen versio ei yleensä täytä sille asetettuja vaatimuksia, vaan tuloksena syntynyt resonaattori saattaa joiltakin mitoiltaan poiketa toivotusta.

35 Erityisesti puristuksen jälkeisen polton yhteydessä saat- 3 94191 taa esiintyä kutistumista, jota on vaikea etukäteen ennustaa. Jos työkalu on rakenteeltaan virheellinen, saat-- taa puristustuloksena syntynyt resonaattori sisältää sel laisia jännityksiä, että se hajoaa. Mm. edellä maini-5 tuista syistä johtuen työkalusta joudutaan tekemään uusia, paranneltuja versioita, kunnes sille asetetut vaatimukset täyttyvät. Useiden työkaluversioiden rakentaminen ja testaaminen vie aikaa ja siitä syntyy lopputuotteen kannalta ylimääräisiä kustannuksia.

10 Tässä keksinnössä esitetään koaksiaaliresonaattorira-kenne, jonka valmistuksessa ei ole edellä esitettyjä haittoja.

Keksinnön mukainen rakenne perustuu moduuliajatteluun. Rakenne muodostuu dielektrisestä aineesta valmistetuista 15 erillisistä peruspaloista eli moduuleista, jotka yhdistetään halutuksi rakenteeksi, joka toteuttaa helposti säädettävän koaksiaaliresonaattorirakenteen ilman tunnetun tekniikan mukaisia työkaluja.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti 20 viittaamalla oheisiin kuviin, joista

Kuva 1 esittää ensimmäisen suoritusmuodon keksinnön mukaisesta resonaattorirakenteesta, * • I « kuva 2 esittää toisen suoritusmuodon keksinnön mukaisesta resonaattorirakenteesta, 25 kuva 3 esittää kolmannen suoritusmuodon keksinnön mukaisesta resonaattorirakenteesta ja kuva 4 esittää esimerkin keksinnön mukaisella rakenteella toteutetusta suodattimesta.

Keksinnön mukainen resonaattori kootaan kahdesta tai use-30 ämmästä peruspalasta eli moduulista. Peruspala on tyypillisesti poikkileikkaukseltaan suorakaiteen tai neliön 4 94191 muotoinen kappale. Peruspalat valmistetaan edullisesti leikkaamalla sopivankokoisia paloja esimerkiksi keraami-levystä. Peruspalat liitetään toisiinsa muodostamaan esimerkiksi kuvan 1 kaltainen resonaattori, joka edustaa 5 keksinnön kohteena olevaa resonaattorirakennetta yksinkertaisimmillaan.

Kuvan 1 resonaattori muodostuu runkopalasta 11 ja keski-johdinpalasta 12. Runkopala 11 on dielektristä ainetta, esimerkiksi keräämiä. Runkopalan 11 päälle on kiinnitetty 10 keskijohdinpala 12, jossa keskijohdin muodostuu palan johtavasta pinnoitteesta, esimerkiksi hopeapastasta. Keski johdinpala vastaa siten tunnetun tekniikan mukaisen ko-aksiaaliresonaattorin keskijohdinta eli pinnoitettua reikää keraamipalassa. Keskijohdinpalan 12 materiaalina voi 15 olla keraami tai mikä tahansa materiaali, joka voidaan pinnoittaa johtavalla aineella. Keskijohdinpalan materiaalina voi olla myös johde, jolloin johtavaa pinnoitetta ei luonnollisestikaan tarvita. Keskijohdinpala 12 kiinnitetään runkopalaan 11 esimerkiksi keskijohdinpalan pin-20 noitemateriaalina käytetyllä hopeapastalla. Runkopala 11 pinnoitetaan alapinnaltaan 13 ja sivupinnoiltaan 14a, 14b, 14c ja 14d johtavalla pinnoituksella, joka muodostaa osan resonaattorin johtavasta ulkovaipasta. Kuvan 1 resonaattorin tapauksessa loput ulkovaipasta muodostuu johta-25 vasta kansilevystä 15, joka on taivutettu runkopalan 11 ja keskijohdinpalan 12 muodostaman rakenteen päälle, sopivan etäisyyden päähän keskijohdinpalasta. Kansilevy 15 (kuvasssa katkoviivalla) on kiinnitetty sivupintoihin 14a ja 14c esimerkiksi johtavalla pinnoitemateriaalilla.

. 30 Resonaattorin ulkovaipan ja keskijohtimen välinen die- lektrinen kerros muodostuu siis kuvan 1 tapauksessa pääosin ilmasta, joka jää kansilevyn 15 ja keskijohtimen 12 väliin. Runkopala 11 muodostaa noin kolmasosan dielektri-sestä kerroksesta. Keskijohdinpalan 12 pituus L vastaa, 35 siirtojohtoresonaattoreille ominaisesti, neljännesaallon pituutta.

It IK ! Ill· f ! IK ! 5 94191

Kooltaan pienempi resonaattori saadaan aikaan kuvan 2 rakenteella. Siinä kuvan 1 rakennetta on muunnettu lisäämällä runkopalan 21 ja keskijohdinpalan 22 muodostaman rakenteen päälle kansipala 23. Kansipala 23 on runkopalan 5 tapaan leikattu keraamilevystä ja kiinnitetty keskijoh-dinpalaan 22 esimerkiksi pinnoitemateriaalina käytetyllä hopeapastalla. Kansipala 23 on yläpinnaltaan 24 ja sivupinnoiltaan 25a, 25b, 25c ja 25d pinnoitettu johtavalla pinnoitteella. Kuvassa 2 katkoviivalla merkityt, johta-10 vasta materiaalista valmistetut sivulevyt 26 ja 27 ovat tässä rakenteessa optionaalisia, sillä resonaattorin toiminnan kannalta riittävä ulkovaipan kokonaispinta-ala muodostuu jo runko- ja kansipalan johtavaksi pinnoitetuista särmistä. Tässä esimerkissä keraamiset runko- ja 15 kansipalat muodostavat enemmän kuin kaksi kolmasosaa resonaattorin dielektrisestä kerroksesta. Loput dielekt-risestä kerroksesta muodostuu keskijohdinpalan 22 ja mahdollisten sivulevyjen väliin jäävästä ilmakerroksesta. Keskijohdinpalan 22 pituus L on pienempi kuin kuvan l 20 esimerkissä, sillä dielektrisen kerroksen eristevakio muodostuu suuremmaksi kuvan 1 esimerkkiin verrattuna.

Kuvassa 3 on eräs variaatio keksinnön mukaisesta reso-naattorirakenteesta. Kuvassa 3 on edelleen runkopala 31 ja kansipala 32, mutta keskijohdinpalan sijaan raken- t t 25 teessä on sivupalat 33 ja 34, jotka on leikattu paksuudeltaan sopivasta keraamilevystä. Runko-, kansi- ja sivu-palat on kiinnitetty kuvan 3 mukaisesti toisiinsa esimerkiksi hopeapastanauhoilla. Resonaattorin keskijohdin muodostuu ensimmäisen ja toisen suoritusmuodon mukaisen kes-. · 30 kijohdinpalan paikalla olevasta reiästä 35, joka on sisä pinnaltaan johtava. Keskijohtimen johtava pinnoitus syntyy runko-, kansi- ja sivupalojen yhdestä johtavaksi pinnoitetusta särmästä. Runko-, kansi- ja sivupaloista muodostuvan kappaleen johtavalla materiaalilla pinnoitetut 35 ulkopinnat muodostavat resonaattorin ulkovaipan. Tämän suoritusmuodon kaltainen rakenne on toiminnaltaan ident- i 6 94191 tinen tunnetun tekniikan mukaisen 'reikä keraamipalassa' -rakenteen kanssa.

Keksinnön mukaisen rakenteen käyttöä suodattimen toteutuksessa kuvaa esimerkki kuvassa 4. Runkopala 41 toimii 5 useamman keskijohdinpalan 42 alustana. Kuvan 4 mukainen suodatin koostuu kolmesta resonaattorista. Keskijohdinpa-lat 42 muodostavat resonaattorien keskijohtimet. Resonaattori peitetään kansilevyllä 43 kuvan 1 suoritusmuodon tapaan. Kansilevy on esitetty kuvassa katkoviivalla.

10 Kuvien 1, 2 ja 3 mukaisia keksinnön variaatioita voidaan muutoinkin soveltaa useampia resonaattoreita käsittäviin suodatinrakenteisiin. Keskijohdinpalojen 42 päälle on mahdollista asettaa kuvan 2 suoritusmuodon mukainen keraaminen kansipala. Rinnakkaisten resonaattorien keski-15 johtimet voivat muodostua kuvan 3 suoritusmuodon mukaisesti runko-, kansi- ja sivupalojen ympäröimistä rei'istä. Poikkileikkaukseltaan sopivan kokoisia sivupa-loja voidaan asettaa myös keskijohdinpalojen 42 väliin ja sivuille, jolloin ne vaikuttavat resonaattorien väliseen 20 kytkentään. Resonaattorien välistä kytkentää on helppo säätää myös muuttamalla keskijohdinten välistä etäisyyttä siirtämällä keskijohdinpaloja 42 toisiinsa nähden. Säätö voidaan tunnetusti toteuttaa myös painamalla johdinkuvi-oita keraamipalan pintaan.

25 Kuvan 4 esimerkistä tulee esille keksinnön eräs edullinen suoritusmuoto, jossa samaa runkopalaa 41 käytetään myös diskreettien elektroniikan komponenttien 44 alustana piirilevyn sijasta, esimerkiksi vahvistimen toteuttamiseksi. Keraamilevylle voidaan lisäksi toteuttaa johdinkuvioin-30 nilla kapasitansseja, jotka ovat keraamin suuren eriste-vakion johdosta laadukkaampia kuin kapasitanssit vastaavalla johdinkuvioinnilla tavalliselle piirilevylle painettuna.

7 94191

Keksinnön mukaista rakennetta hyödyntäen voidaan resonaattorit valmistaa samalla periaatteella kuin tapahtuu piirilevyjen automaattinen ladonta. Resonaattorin eri osat, runko-, keskijohdin-, kansi- ja sivupalat, ovat au-5 tomaattisen ladonnan kannalta komponentteja siinä missä muut elektroniikan diskreetit komponentit, mm. vastukset tai kondensaattorit.

Eräässä edullisessa suoritusmuodossa keraamilevyaihio ladotaan suunnitellun ladontakuvion mukaisesti kauttaaltaan 10 sekä resonaattorien peruspaloilla että mahdollisilla muilla komponenteilla, jonka jälkeen aihio leikataan osiin muodostamaan esimerkiksi erilaisia suodattimia. Pe-ruspalojen pinnoitus ja mahdollinen muu johdinkuviointi johtavalla pinnoitteella voidaan suorittaa ennen levyai-15 hion kokoamista. Johdinkuvioiden painaminen tasaiselle levylle on helppoa verrattuna tunnetun tekniikan menetelmiin, joissa kuviointi tehdään pienen keraamipalan pintoihin.

Uuden resonaattorimallin prototyyppiä valmistettaessa 20 keksinnön mukaista rakennetta käyttäen on resonaattorin parametrien säätäminen helppoa. Keskijohdinpalaa voidaan helposti liikuttaa haluttuun paikkaan. Keskijohtimen ja ulkovaipan välistä dielektristä kerrosta voidaan täyden-.. tää keksinnön mukaisilla peruspaloilla tai myöskin pie- 25 nentää eristevakiota ottamalla peruspaloja pois resonaat-torirakenteesta. Kun edellä kuvatun kaltainen kokeilu prototyypillä on johtanut haluttuun lopputulokseen, syötetään lopputulosta vastaavat asemointitiedot esimerkiksi automaattisen komponenttien latojan muistiin, minkä jäl-• 30 keen resonaattorirakenne on toistettavissa rajattomasti.

Samalla periaatteella resonaattorin valmistaminen onnistuu myös manuaalisesti ilman automaattista latojaa, mutta myöskin ilman tunnetun tekniikan mukaisia kalliita työkaluja.

i 8 94191

Keksinnön mukaisten peruspalojen valmistaminen on yksinkertaista: valmistetaan keraamilevy tai tilataan levy ke-raamilevyjen massavalmistukseen erikoistuneelta yritykseltä. Standardimitoituksella tehtyjä keraamisubstraatte-5 ja, joissa keraamimateriaali on esimerkiksi alumiinioksidia, on kaupallisesti saatavana. Tällaisesta keraamile-vystä voidaan helposti leikata sopivankokokoisia paloja, joista resonaattori rakennetaan.

Peruspalojen pituudet voivat olla erilaiset. Esimerkiksi 10 keskijohdinpala voi olla lyhyempi kuin runko- tai kansi- palat, jolloin se jää piiloon rakenteen sisään.

Eräässä edullisessa suoritusmuodossa keskijohtimen muodostava keskijohdinpala on putkimainen ja päistään avoin, jolloin rakenne saadaan kevyemmäksi.

15 Keskijohdinpala voi olla kauttaaltaan pinnoitettu johtavalla aineella tai vain yhdeltä tai useammalta keskijoh-timen pituusakselin suuntaiselta sivulta johtavaksi pinnoitettu. Keskijohtimen muodostavaa pinnoitusta voidaan myös tarvittaessa laajentaa keskijohdinpalan ulkopuo-20 lelle, käytännössä runko- tai kansipalojen siihen pintaan, johon keskijohdinpala on kiinnitetty.

. Keksinnön mukainen resonaattorirakenne on monessa mieles sä merkittävä. Se tuo kokonaan uuden ulottuvuuden resonaattorien valmistustekniikkaan. Ei oikeastaan voida pu-25 hua enää resonaattorin valmistuksesta, johon helposti mielletään materiaalien käsittely ja erityistyökalut, vaan mieluummin resonaattorin kokoamisesta peruskomponenteista, joita edellä kuvattujen esimerkkien peruspalat ovat. Kokoaminen peruspaloista on helposti ennustettavaa 30 toimintaa. Tuloksena syntynyt resonaattori tai suodatin on aina samanlainen. Lisäksi rakenteen sähköisiä parametreja, kuten resonanssitaajuutta, ominaisimpedanssia tai useampien resonaattorien tapauksessa resonaattorien vä-.· listä induktiivista tai kapasitiivista kytkentää, on 94Ί91 9 helppo säätää, sillä kaikki peruspalat ovat periaatteessa liikuteltavissa toistensa suhteen.

Erityisesti pienikokoisten resonaattorien keskijohtimen valmistukseen liittyvät ongelmat voidaan keksinnön raken-5 teella eliminoida kahdellakin tavalla: joko kuvien 1 tai 2 suoritusmuotojen mukaisesti valmistamalla poikkileikkauspinnaltaan pieni keskijohdinpala esimerkiksi keraamile-vystä leikkaamalla ja pinnoittamalla se johtavalla pinnoitteella, tai kuvan.3 suoritusmuodon mukaisesti raken-10 tamalla resonaattori sellaisista peruspaloista, että keskelle jäävä reikä on poikkileikkauspinnaltaan riittävän pieni. Reiän kokoa on myös helppo säätää kolmannen suoritusmuodon mukaisesti.

Menetelmä soveltuu myös hybridipiirien valmistukseen ku-15 van 4 esimerkin mukaisesti, jossa runkopalan toiseen päähän on ladottu diskreettejä komponentteja.

Resonaattorin muodostavien peruspalojen koot, lukumäärä tai asento eivät rajoitu edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan rakenne ovat muunneltavissa patenttivaatimusten 20 antamissa rajoissa.

• <

Claims

941 91

1. Koaksiaaliresonaattorirakenne, jossa on johtava ulko-vaippa, suora keskijohdin sekä dielektrinen kerros, joka 5 rajoittuu ulkovaipan ja keskijohtimen väliin, tunnettu siitä, että - rakenne on modulaarinen käsittäen vähintään kaksi toisiinsa kiinnitettyä moduulipalaa, joiden poikkileikkaukset ovat suorakaiteen muotoiset ja joiden pituus on vä- 10 hintään keskijohtimen pituus, - keskijohdin muodostuu vähintään yhden moduulipalan vähintään yhdestä pituusakselin suuntaisesta johtavasta särmästä tai johtavasta särmän osasta, - osa ulkovaipasta muodostuu moduulipalan vähintään yh-15 destä johtavaksi pinnoitetusta särmästä sekä - osa dielektrisestä kerroksesta muodostuu moduulipalan sisältämästä aineesta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että moduulipalan poikkileikkaus on ne- 20 liö.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että moduulipala on keräämiä.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että keskijohdin muodostuu yhdestä moduu- 25 lipalasta, jonka jokainen särmä on johtava.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että keskijohdin muodostuu yhdestä moduu-lipalasta, joka on johde.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen resonaattorira-30 kenne, tunnettu siitä, että keskijohdin muodostuu yhdestä moduulipalasta, joka on putkimainen ja päistään avoin. Il HM I 411 I I ! UI 94191

7. Suodatin, joka käsittää ainakin yhden koaksiaalireso-naattorirakenteen, jossa on johtava ulkovaippa, suora keskijohdin sekä dielektrinen kerros, joka rajoittuu ulkovaipan ja keskijohtimen väliin, 5 tunnettu siitä, että - rakenne on modulaarinen käsittäen vähintään kaksi toisiinsa kiinnitettyä moduulipalaa, joiden poikkileikkaukset ovat suorakaiteen muotoiset ja joiden pituus on vähintään keskijohtimen pituus, 10. keskijohdin muodostuu vähintään yhden moduulipalan vä hintään yhdestä pituusakselin suuntaisesta johtavasta särmästä tai johtavasta särmän osasta, - osa ulkovaipasta muodostuu moduulipalan vähintään yhdestä johtavaksi pinnoitetusta särmästä sekä 15. osa dielektrisestä kerroksesta muodostuu moduulipalan sisältämästä aineesta.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen suodatin, tunnettu siitä, että yksi moduulipala muodostuu tasomaisesta levystä, joka toimii diskreettien komponenttien kytkentäle- 2. vynä.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen suodatin, tunnettu siitä, että yksi moduulipala muodostaa tasomaisen rungon, jonka pintaan resonaattorien keskijohtimet muodostavat moduulipalat on kiinnitetty.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen suodatin, tunnettu siitä, että yksi moduulipala muodostaa tasomaisen kannen, joka on kiinnitetty resonaattorien keskijohtimet muodostaviin moduulipaloihin.

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen suodatin, tunnettu 30 siitä, että resonaattorien keskijohtimet muodostavien mo-duulipalojen väleissä on moduulipaloja resonaattorien välisen induktiivisen ja kapasitiivisen kytkennän säätämiseksi . 94191