FI97087B - Dielektrinen resonaattori - Google Patents

Description

97087

Dielektrinen resonaattori

Keksinnön kohteena on dielektrinen resonaattori, joka käsittää dielektrisen sylinterimäisen resonaattori-5 kiekon, taajuudensäätimen, joka käsittää säätömekanismin ja dielektrisen sylinterimäisen säätökiekon, jonka yksi tasopinta on asetettu resonaattorikiekon yhtä tasopintaa vasten siten, että säätökiekko on säätömekanismin avulla siirrettävissä säteittäissuunnassa resonaattorikiekon suh-10 teen resonaattorin resonanssitaajuuden säätämiseksi, ja sähköä johtavan kotelon.

Viime aikoina ovat ns. dielektriset resonaattorit tulleet entistä kiinnostavimmiksi suurtaajuus- ja mikro-aaltoalueen resonaattorirakenteiksi, koska perinteisiin 15 resonaattorirakenteisiin verrattuna niillä on mahdollista saavuttaa mm. seuraavia etuja: pienemmät piirikoot, parempi integrointiaste, parempi suorituskyky sekä alhaisemmat valmistuskustannukset. Dielektrisenä, korkean Q-arvon resonaattorina voi toimia mikä tahansa yksinkertaisen geo-20 metrisen muodon omaava kappale, jonka materiaalilla on pienet dielektriset häviöt ja korkea suhteellinen dielekt-risyysvakio. Valmistusteknisistä syistä dielektrinen resonaattori on yleensä sylinterin muotoinen, esim. sylinteri -mäinen kiekko.

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

30 [2] "Microwave Dielectric Resonators", S. Jerry Fied- 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 Techni-35 ques, VOL. MTT-27, NO. 3, March 1979, p. 233-238.

2 97087

Dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuus määräytyy ensisijaisesti resonaattorikappaleen dimensioista. Toinen resonanssitaajuuteen vaikuttava seikka on resonaattorin ympäristö. Tuomalla metallinen tai muu johtava pinta 5 lähelle resonaattoria voidaan tarkoituksellisesti vaikuttaa resonaattorin sähkö- tai magneettikenttään ja sitä kautta resonanssitaajuuteen. Tyypillisessä dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuuden säätömenetelmässä sääde-täänkin johtavan metallitason etäisyyttä resonaattorin 10 tasopinnasta. Resonanssitaajuus muuttuu epälineaarisesti säätöetäisyyden funktiona. Tästä epälineaarisuudesta ja suuresta säätöjyrkkyydestä johtuen resonanssitaajuuden säätäminen tarkasti, erityisesti säätöalueen yläpäässä, on hankalaa ja tarkkuutta vaativaa. Lisäksi kuormittamaton Q-15 arvo muuttuu johtavan tason etäisyyden funktiona.

Q-arvo saadaan pysymään vakiona ja taajuudensäätö saadaan lineaarisemmaksi laajemmalla alueella tuomalla resonaattorikappaleen ympäristöön johtavan säätötason sijasta toinen dielektrinen kappale. Tässäkin tapauksessa 20 säätökäyrä on edelleen jyrkkä.

Eräs tällainen dielektrinen suodatinrakenne tunnetaan FI-patenttihakemuksesta 912256. Tässä tunnetussa resonaattorissa näennäisesti yhtenäisen resonaattorin muodostaa kaksi toisiaan vasten asetettua dielektristä kiek-25 koa, joiden siirtäminen säteittäissuunnassa toistensa suhteen muuttaa resonaattorin muotoa, jolloin resonaattorin sähkö- ja magneettikenttien normaalien kenttäkuvioiden muuttuminen aiheuttaa resonanssitaajuuden muuttumisen. Tällöin saavutetaan suhteellisen lineaarinen ja aikaisem-30 paa loivempi resonanssitaajuuden säätökäyrä, samalla kun resonaattorin kuormittamaton Q-arvo säilyy säädön aikana korkeana ja vakiona.

Tässä tunnetussakin resonaattorissa taajuudensäätö perustuu hyvin tarkkaan mekaaniseen liikkeeseen, minkä li-35 saksi säätöjyrkkyys on edelleen melko suuri. Resonanssi- « m t iriit » «-i -et · .

3 97087 taajuuden kasvaessa esim. alueelle 1500-2000 MHz tai suuremmaksi, dielektrisen suodattimen perusosien, kuten die-lektristen kiekkojen tai säätömekanismin dimensiot pienenevät. Tämän seurauksena dielektrisen resonaattorin re-5 sonanssitaajuuden säätäminen tällä tunnetulla, vaikkakin parannetulla, ratkaisulla asettaa hyvin suuret vaatimukset taajuudensäätömekanismille, mikä puolestaan nostaa materiaali- ja tuotantokustannuksia. Lisäksi koska taajuussääti-men mekaaniset liikkeet on saatava erittäin pieniksi, sää-10 tö tulee hitaammaksi.

Keksinnön päämääränä on dielektrinen resonaattori, jossa suurempi säätötarkkuus ja säätönopeus.

Tämä saavutetaan dielektrisellä resonaattorilla, jolle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista, että taajuu-15 densäädin käsittää lisäksi dielektrisen hienosäätökiekon, jonka yksi tasopinta on asetettu säätökappaleen toista tasopintaa vasten siten, että hienosäätökiekko on säätömekanismin liikkeellä siirrettävissä säätökiekon suhteen resonanssitaajuuden hienosäätämiseksi.

20 Keksinnön mukaisen resonaattorin taajuudensäädin muodostuu kahdesta yhdistetystä dielektrisestä säätö-kiekosta, jotka on sijoitettu kerrosrakenteeksi, joka lepää resonaattorikiekon päällä. Säätökiekot on mekaanisesti kytketty toisiinsa siten, että niiden säteittäinen liike 25 toistensa ja resonaattorikiekon suhteen aikaansaa kaksi säätövaihetta säätöliikkeen aikana. Säätöliikkeen alussa pienempi tai ohuempi ns. hienosäätökiekko liikkuu suuremman tai ohuemman säätökiekon ja resonaattorikiekon suhteen säteittäissuunnassa ennalta määrätyn matkan säätökiekon 30 pysyessä paikallaan. Kun pienempi säätökappale on liikkunut mainitun matkan, myös paksumpi säätökiekko alkaa liikkua säätöliikkeen mukaisesti säteittäissuunnassa resonaattorikiekon suhteen. Näin aikaansaadaan dielektrinen resonaattori, jossa taajuussäätimellä on kaksi säätökulma-35 kerrointa, jolloin säätö on molempien säätökiekkojen liik- 4 97087 keen ansiosta nopea ja hienosäätöominaisuuden, joka saavutetaan ohuemman säätökiekon liikkuessa yksinään, takia myös erittäin tarkka. Keksinnön ansiosta säätötarkkuus voidaan parantaa jopa kymmenkertaiseksi, joten säätöme-5 kaniikan tarkkuusvaatimuksia ei tarvitse kasvattaa taajuu den kasvaessa tai niitä voidaan jopa lieventää nykyisin käytetyillä taajuuksilla.

Keksintöä selitetään seuraavassa yksityiskohtaisemmin suoritusesimerkkien avulla viitaten oheisiin piirrok- 10 siin, joissa kuviot 1 ja 2 esittävät sivupoikkileikkauskuvat eräästä keksinnön mukaisesta dielektrisestä resonaattorista kahdessa eri säätöasennossa, kuvio 3 esittää yläkuvan kuvion 2 dielektrisestä 15 resonaattorista, kuvio 4 esittää kuvaajan, joka havainnollistaa kuvioiden 1, 2 ja 3 resonaattorin resonanssitaajuutta etäisyyden L funktiona, kuvio 4A esittää suurennetun yksityiskohdan kuvion 20 4 kuvaajasta.

Dielektristen resonaattoreiden rakennetta, toimintaa ja niiden keraamisia valmistusmateriaaleja on kuvattu mm. edellä mainituissa artikkeleissa [1], [2] ja [3] , jot ka sisällytetään tähän hakemukseen viitteinä. Seuraavassa 25 selityksessä dielektrisen resonaattorin rakennetta kuva taan vain keksinnön ymmärtämisen kannalta oleellisilta osin.

Tässä termillä dielektrinen resonaattorikappale tarkoitetaan yleisesti mitä tahansa sopivan geometrisen 30 muodon omaavaa kappaletta, jonka valmistusmateriaalilla on pienet dielektriset häviöt ja korkea suhteellinen dielekt- risyysvakio. Valmistusteknisistä syistä dielektrinen resonaattorikappale on yleensä sylinterin muotoinen, esim. sylinterimäinen kiekko. Käytetyin materiaali on keraaminen 35 materiaali.

5 97087

Kuvioissa 1, 2 ja 3 on esitetty eräs keksinnön mukainen dielektrinen resonaattori, joka käsittää sähköä johtavasta materiaalista, kuten metallista valmistetun kotelon 2 sisässä dielektrisen, edullisesti sylinterimäi-5 sen resonaattorikappaleen 3, joka on edullisesti keraaminen ja sijoitettu kiinteälle etäisyydelle kotelon 2 pohjasta sopivasta dielektrisestä tai eristemateriaalista valmistetun tukijalan 4 varaan. Kotelo 2 on kytketty maa-potentiaaliin .

10 Dielektrisen resonaattorin sähkömagneettikentät ulottuvat resonaattorikappaleen ulkopuolelle, joten se voidaan helposti kytkeä muuhun resonaattoripiiriin sähkö-magneettisesti hyvin monella tavalla sovellutuksesta riippuen, esim. dielektrisen resonaattorin läheisyyteen sijoi-15 tetulla mikroliuskajohtimella, taivutetulla koaksiaalijoh timella, tavallisella suoralla johtimella, jne. Kuvioissa 1 ja 2 on esimerkkinä esitetty kytkeytyminen resonaattoriin induktiivisten kytkentäsilmukoiden 7 avulla, jotka muodostavat resonaattorin sisääntulon ja ulostulon.

20 Dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuus määräytyy ensisijaisesti dielektrisen resonaattorikappaleen 3 dimensioista. Toinen resonanssitaajuuteen vaikuttava seikka on dielektrisen resonaattorikappaleen ympäristö. Tuomalla metallinen tai muu johtava pinta tai vaihtoehtoises-25 ti toinen dielektrinen kappale, ns. säätökappale lähelle ’ resonaattorikappaletta voidaan tarkoituksellisesti vaikut taa resonaattorin sähkö- tai magneettikenttään ja sitä kautta resonanssitaajuuteen.

Keksinnön mukaisen resonaattorin säädössä käytet-30 tävä dielektrinen säätöosa muodostuu kahdesta yhdistetystä - . dielektrisestä sylinterimäisestä säätökiekosta 5 ja 6, ‘ jotka lepäävät kerrosrakenteena niitä suuremman tai pak summan resonaattorikiekon 3 ylläpinnan päällä ulkoisen puristusrakenteen avulla, jota ei ole esitetty kuvassa. 35 Tämä puristusrakenne voi olla esim. eristemateriaalista 6 97087 valmistettu jousirakenne kotelon 2 yläosan ja säätökiekon 6 välissä. Tarkemmin sanottuna suurempi tai paksumpi säätökiekko 5 lepää resonaattorikiekon 3 päällä alempi taso-pinta resonaattorikiekon yläpintaa vasten. Pienempi tai 5 ohuempi hienosäätökiekko 6 lepää säätökiekon 5 päällä alempi tasopinta säätökiekon 5 yläpintaa vasten. Säätö-kiekot 5 ja 6 pystyvät liikkumaan säteittäisesti toistensa ja resonaattorikiekon 3 suhteen sen yläpintaa pitkin ulkoisen säätömekanismin, kuten metallisen tai keraamisen 10 säätötangon 8 avulla. Säätötanko 8 on mekaanisesti kytketty eristevälikappaleella 8A ainoastaan hienosäätökiekon 6 reunaan. Hienosäätökiekko 6 on puolestaan mekaanisesti kytketty säätökiekkoon 5 siten, että säätöliikkeen tapahtuessa hienosäätökiekko 6 pystyy liikkumaan säätökiekon 5 15 suhteen matkan 2Y, jonka jälkeen myös säätökiekko liikkuu säätötangon säätöliikkeen mukaisesti.

Kuvioissa 1, 2 ja 3 esitetyssä suoritusmuodossa tämä mekaaninen kytkentä kiekkojen 5 ja 6 on aikaansaatu varustamalla hienosäätökiekko 6 säteittäissuunnassa pitkä-20 nomaisella aukolla 10 ja säätökiekko 5 sen yläpinnalla olevalla tappimaisella ulokkeella 11, ylämainitulla toisella pinnalla on tappimainen uloke, joka ulottuu mainittuun hienosäätökiekon aukkoon 10. Tappimaisen ulokkeen 11 ja aukon 10 mitoitus on sellainen, että sallitaan hie-25 nosäätökiekon 6 säteittäinen liike matkan 2Y verran säätö-kiekon 5 päällä ennenkuin hienosäätökiekon 6 aukon 10 jompikumpi pää tarttuu tappimaiseen ulokkeeseen 11 ja tällä tavoin siirtää säätötangon 8 liikkeen myös säätökiekon 5 liikkeeksi.

30 Säätökiekon 5 ja hienosäätökiekon 6 säteittäinen liike toistensa ja resonaattorikiekon 3 suhteen aikaansaa siten kaksi säätövaihetta säätöliikkeen aikana. Säätö-liikkeen alussa hienosäätökiekko 6 liikkuu säätökiekon 5 ja resonaattorikiekon 3 matkan 2Y säätökiekon 5 pysyessä 35 paikallaan. Kun hienosäätökiekko 6 on liikkunut mainitun 7 97087 matkan 2Y, myös säätökiekko 5 alkaa liikkua säätöliikkeen mukaisesti.

Kuviossa 1 on esitetty tilanne, jossa sekä säätö-kiekko 5 että hienosäätökiekko 6 ovat samankeskisesti re-5 sonaattorikiekon 3 kanssa, ts. L1=0 ja L2=0. Kuvioissa 2 ja 3 on esitetty tilanne, jossa säätökiekkoa 5 on siirretty säteittäisesti matkan L1=X resonaattorikiekon 3 suhteen ja hienosäätökiekkoa 6 matkan L2=Y säätökiekon 5 suhteen, ts. matkan L1+L2 resonaattorikiekon 3 suhteen, kun säätö-10 tangon säätöliike on L=L1+L2.

Keksinnön mukaisesti aikaansaadaan dielektrinen resonaattori, jossa taajuussäätimellä on kaksi säätökulma-kerrointa, jolloin säätö on molempien säätökiekkojen 5 ja 6 liikkuessa nopea ja ainoastaan hienosäätökiekon 6 liik-15 kuessa hitaampi mutta erittäin tarkka. Kuvion 4 kuvaaja esittää keksinnön mukaisen resonaattorin resonanssitaajuuden fo säätötason liikkeen L funktiona. Kuviossa 4 käyrä A kuvaa säätöä molempien säätökiekkojen 5 ja 6 liikkuessa, jolloin säätökulmakerroin on dfO/dLl, esim. 6,3MHz/0,6mm. 20 Katkoviivalla esitetyn ympyrän kohdalla suoritetaan hienosäätö pelkällä hienosäätökiekon 6 liikkeellä, mikä aikaansaadaan esim. muuttamalla säätötangon 8 liikesuunta. Hienosäätötilannetta vastaava käyrän A osa on esitetty suurennettuna kuviossa 4a, jossa nähdään että hienosäädön 25 kulmakerroin dfO/dL2 on huomattavasti pienempi kuin dfO/dLl, esim. 0,63MHz/0,6mm. Säätökertoimien suhde on suoraan verrannollinen säätökiekkojen 5 ja 6 kokojen suhteeseen. Toisin sanoen sopivat säätökulmakertoimet voidaan valita säätökiekkojen koon sopivalla valinnalla.

30 Kuviot ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Yksityiskohdiltaan keksinnön mukainen resonaattori voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (7)

97087

1. Dielektrinen resonaattori, joka käsittää dielektrisen sylinterimäisen resonaattorikiekon 5 (3), taajuudensäätimen, joka käsittää säätömekanismin (8) ja dielektrisen sylinterimäisen säätökiekon (5), jonka yksi tasopinta on asetettu resonaattorikiekon (3) yhtä ta-sopintaa vasten siten, että säätökiekko (5) on säätömeka-10 nismin (8) avulla siirrettävissä säteittäissuunnassa reso naattorikiekon suhteen resonaattorin resonanssitaajuuden säätämiseksi, ja sähköä johtavan kotelon (2), tunnettu siitä, että 15 taajuudensäädin käsittää lisäksi dielektrisen hie- nosäätökiekon (6), jonka yksi tasopinta on asetettu säätö-kiekon (5) toista tasopintaa vasten siten, että hienosää-tökiekko (6) on säätömekanismin (8) liikkeellä siirrettävissä säätökiekon (5) suhteen resonanssitaajuuden hieno-20 säätämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen resonaattori, tunnettu siitä, että resonaattorikiekko (3) on paksumpi kuin säätökiekko (5) ja hienosäätökiekko (6) ja tuettu (4) kiinteästi paikoilleen.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen resonaatto ri, tunnettu siitä, että säätökiekko (5) on paksumpi kuin hienosäätökiekko (6).

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen resonaattori, tunnettu siitä, että säätökiekko (5) ja 30 hienosäätökiekko (6) on varustettu tartuntavälineillä (10, ·. 11)f jotka sallivat säätömekanismin (8) vaikutuksesta hie- nosäätökiekon (6) ennalta määrätyn säteittäisen liikkeen säätökiekon (5) mainittua toista tasopintaa pitkin ennen hienosäätökiekon (6) ja säätökiekon (5) välistä tartuntaa, 35 joka siirtää säätömekanismin (8) liikkeen myös säätökiekon 97087 (5) säteittäiseksi liikkeeksi mainittua resonaattorikiekon (3) tasopintaa pitkin.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen resonaattori, tunnettu siitä, että hienosäätökiekko (6) käsittää 5 säteittäissuunnassa pitkänomaisen aukon (10), ja että säätökiekon (5) mainitulla toisella pinnalla on tappimainen uloke (11), joka ulottuu mainittuun hienosäätökiekon aukkoon (10), mainitun tappimaisen ulokkeen (11) ja mainitun aukon (10) ollessa mitoitettu siten, että sallitaan hie-10 nosäätökiekon (6) ennalta määrätty säteittäinen liike säätökiekon (5) päällä ennenkuin hienosäätökiekon aukossa oleva tappimainen uloke tarttuu hienosäätökappaleen aukon jompaankumpaan päähän ja siirtää säätömekanismin liikkeen myös säätökiekon liikkeeksi.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen resonaattori, tunnettu siitä, että säätökiekon (5) ja hienosäätökiekon (6) yhteisen liikkeen aikana taa-juussäädöllä on ensimmäinen säätöjyrkkyys, ja että hienosäätökiekon (6) liikkuessa yksinään taajuussäädöllä on 20 toinen säätöjyrkkyys, joka huomattavasti pienempi suhteessa ensimmäiseen säätöjyrkkyyteen.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen resonaattori, tunnettu siitä, että säätömekanismi käsittää säätötangon (8). 97087