FI97089B - Dielektrinen resonaattori - Google Patents

Description

97089

Dielektrinen resonaattori

Keksinnön kohteena on dielektrinen resonaattori, joka käsittää dielektrisen resonaattorikiekon, jolla on 5 kaksi tasopintaa, ja taajuudensäätimen, joka käsittää sää-tömekanismin ja sähköä johtavan säätötason, joka on oleellisesti yhdensuuntainen dielektrisen resonaattorikiekon yhden tasopinnan kanssa ja säätömekanismin avulla siirrettävissä siihen nähden kohtisuorassa suunnassa resonanssi-10 taajuuden säätämiseksi säätötason ja dielektrisen resonaattorikiekon mainitun yhden tasopinnan välistä etäisyyttä muuttamalla, sekä sähköä johtavan kotelon.

Viime aikoina ovat ns. dielektriset resonaattorit tulleet entistä kiinnostavimmiksi suurtaajuus- ja mikro-15 aaltoalueen resonaattorirakenteiksi, koska perinteisiin resonaattorirakenteisiin verrattuna niillä on mahdollista saavuttaa mm. seuraavia etuja: pienemmät piirikoot, parempi integrointiaste, parempi suorituskyky sekä alhaisemmat valmistuskustannukset. Dielektrisenä, korkean Q-arvon 20 resonaattorina voi toimia mikä tahansa yksinkertaisen geometrisen muodon omaava kappale, jonka materiaalilla on pienet dielektriset häviöt ja korkea suhteellinen dielekt-risyysvakio. Valmistusteknisistä syistä dielektrinen resonaattori on yleensä sylinterin muotoinen, esim. sylinteri-25 mäinen kiekko.

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

30 180-183.

[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- 35 zalski, IEEE Trannsactions on Microwave Theory and Techni- 2 97089 ques, VOL. MTT-27, NO. 3, March 1979, p. 233-238.

Dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuus mää-räytyy ensisijaisesti resonaattorikappaleen dimensioista. Toinen resonanssitaajuuteen vaikuttava seikka on resonaat-5 torin ympäristö. Tuomalla metallinen tai muu johtava pinta lähelle resonaattoria voidaan tarkoituksellisesti vaikuttaa resonaattorin sähkö- tai magneettikenttään ja sitä kautta resonanssitaajuuteen. Tyypillisessä dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuuden säätömenetelmässä sääde-10 täänkin johtavan metallitason etäisyyttä resonaattorin tasopinnasta. Eräs tällainen tunnettu dielektrinen suoda-tinrakenne on esitetty kuviossa 1, jossa resonaattori käsittää induktiiviset kytkentäsilmukat 5 (sisääntulo ja ulostulo), metallikoteloon 4 dielektrisen tuen 6 varaan 15 sijoitetun dielektrisen resonaattorikiekon 3 sekä metalli-koteloon 4 kiinnitetyn taajuudensäätimen, joka käsittää säätöruuvin 1 ja metallitason 2. Resonaattorin resonanssi-taajuus riippuu resonaattorikiekon 3 ja metallitason 2 välisestä etäisyydestä L kuvion 2 kuvaajan mukaisella ta-20 valla.

Vaihtoehtoisesti voidaan resonaattorikappaleen ympäristöön tuoda johtavan säätötason sijasta toinen dielektrinen kappale. Eräs tällainen tunnettu dielektriseen levysäätöön perustuva suodatinrakenne on esitetty kuviossa 25 3, jossa resonaattori käsittää induktiiviset kytkentäsil mukat 35 (sisääntulo ja ulostulo), metallikoteloon 34 dielektrisen tuen 36 varaan sijoitetun dielektrisen resonaattorikiekon 33 sekä metallikoteloon 34 kiinnitetyn taajuudensäätimen, joka käsittää säätöruuvin 31 ja metal-30 litason 32. Resonaattorin resonanssitaajuus riippuu re sonaattorikiekon 33 ja metallitason 32 välisestä etäisyydestä L kuvion 4 kuvaajan mukaisella tavalla.

Kuten kuvioista 2 ja 4 voidaan nähdä, kummassakin säätötavassa resonanssitaajuus muuttuu epälineaarisesti 35 säätöetäisyyden L funktiona. Tästä epälineaarisuudesta ja 3 97089 suuresta säätöjyrkkyydestä johtuen resonanssitaajuuden säätäminen tarkasti, erityisesti säätöalueen ääripäissä, on hankalaa ja tarkkuutta vaativaa. Taajuudensäätö perustuu hyvin tarkkaan mekaaniseen liikkeeseen, minkä lisäksi 5 säätöjyrkkyys k on suuri. Periaatteessa kummassakin resonaattori tyypissä voidaan säätöliikkeen pituutta ja sitä kautta tarkkuutta kasvattaa pienentämällä metallisen tai dielektrisen säätötason kokoa. Edellä kuvattujen säätöta-pojen epälineaarisuudesta johtuen saavutettava hyöty jää 10 kuitenkin vähäiseksi, koska säätöliikkeen alussa tai lopussa olevaa liian jyrkkää tai liian loivaa säätökäyrän osaa ei voi käyttää. Resonanssitaajuuden kasvaessa esim. alueelle 1500-2000 MHz tai suuremmaksi, dielektrisen suodattimen perusosien, kuten resonaattorikappaleen tai sää-15 tömekanismin dimensiot pienenevät edelleen. Tämän seurauksena dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuuden säätäminen perinteisillä ratkaisuilla asettaa hyvin suuret vaatimukset taajuudensäätömekanismille, mikä puolestaan nostaa materiaali- ja tuotantokustannuksia. Lisäksi koska 20 taajuussäätimen mekaaniset liikkeet on saatava erittäin pieniksi, säätö tulee hitaammaksi.

Keksinnön päämääränä on dielektrinen resonaattori, jossa suurempi taajuussäädön tarkkuus ja lineaarisuus.

Tämä saavutetaan dielektrisellä resonaattorilla, 25 jolle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista, että taajuudensäädin lisäksi käsittää dielektrisen säätötason, joka on oleellisesti yhdensuuntainen dielektrisen resonaattorikiekon toisen tasopinnan kanssa ja kiinnitetty samaan säätömekanismiin mainitun johtavan säätötason kans-30 sa siten, että dielektrinen säätö taso on siirrettävissä mainittuun toiseen tasopintaa nähden kohtisuorassa suunnassa dielektrisen säätötason ja dielektrisen resonaatto-. rikiekon mainitun toisen tasopinnan välisen etäisyyden muuttamiseksi samanaikaisesti ja samanverran mutta vastak-35 kaiseen suuntaan kuin johtavan säätöpinnan ja mainitun 4 97089 yhden tasopinnan välinen etäisyys, johtavalla säätötasolla ja dielektrisellä säätö-tasolla on oleellisesti samanlaiset mutta säätökulmaker-toimiltaan vastakkaiset taajuudensäätökäyrät siten, että 5 taajuudensäätimen yhdistetty taajuudensäätökäyrä on oleel lisesti lineaarinen.

Keksintö koskee myös dielektristä resonaattoria, jolle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista, että taajuudensäädin lisäksi käsittää ainakin yhden die-10 lektrisen säätökappaleen, joka on liitetty yhdistelmära-kenteeksi mainitun johtavan säätason kanssa ja kiinnitetty samaan säätömekanismiin siten, että ·yhdistelmärakenne on kokonaisuutena siirrettävissä mainittuun dielektrisen re-sonaattorikiekon tasopintaan nähden kohtisuorassa suunnas-15 sa yhdistelmärakenteen ja tasopinnan välisen etäisyyden muuttamiseksi.

johtavalla säätötasolla ja mainitulla ainakin yhdellä dielektrisellä säätökappaleella on oleellisesti samanlaiset mutta säätökulmakertoimiltaan vastakkaiset taa-20 juudensäätökäyrät siten, että yhdistelmäsäätimen yhdistet ty taajuudensäätökäyrä on oleellisesti lineaarinen.

Keksinnössä yhdistetään dielektrinen säätötasoon ja johtavaan säätötasoon perustuvat resonanssitaajuudensää-döt, joilla epälineaariset mutta säätökulmakertoimeltaan 25 vastakkaismerkkiset säätökäyrä, joko kaksoissäädinraken- teeksi tai yhdistelmäsäädinrakenteeksi, jolla on lineaari-sempi säätökäyrä. Keksinnön etuina ovat parantunut lineaarisuus ja pidempi säätömatka, jotka molemmat parantavat säätötarkkuutta.

30 Keksintöä selitetään seuraavassa yksityiskohtaisem min suoritusesimerkkien avulla viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 esittää sivupoikkileikkauskuvan eräästä tekniikan tason mukaisesta dielektrisestä resonaattorista, 35 kuvio 2 esittää kuvaajan, joka havainnollistaa ku-

: i m i alli I i 1 JK . . J

5 97089 vion 1 resonaattorin resonanssitaajuutta etäisyyden L funktiona, kuvio 3 esittää sivupoikkileikkauskuvan eräästä toisesta tekniikan tason mukaisesta dielektrisestä re-5 sonaattorista,

kuvio 4 esittää kuvaajan, joka havainnollistaa kuvion 3 resonaattorin resonanssitaajuutta etäisyyden L

funktiona, kuvio 5 esittää sivupoikkileikkauskuvan eräästä 10 keksinnön mukaisesta dielektrisestä resonaattorista,

kuvio 6 esittää kuvaajan, joka havainnollistaa kuvion 5 resonaattorin resonanssitaajuutta etäisyyden L

funktiona, kuvio 7 esittää sivupoikkileikkauskuvan eräästä 15 toisesta keksinnön mukaisesta dielektrisestä resonaatto rista,

kuvio 8 esittää kuvaajan, joka havainnollistaa kuvion 7 resonaattorin resonanssitaajuutta etäisyyden L

funktiona.

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

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

sylinterimäinen kiekko. Käytetyin materiaali on keraaminen materiaali.

35 Dielektrisen resonaattorin sähkömagneettikentät 6 97089 ulottuvat resonaattorikappaleen ulkopuolelle, joten se voidaan helposti kytkeä muuhun resonaattoripiiriin sähkö-magneettisesti hyvin monella tavalla sovellutuksesta riippuen, esim. dielektrisen resonaattorin läheisyyteen sijoi-5 tetulla mikroliuskajohtimella, induktiivisella kytken-täsilmukalla, suoralla johtimella, jne.

Dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuus mää-räytyy ensisijaisesti dielektrisen resonaattorikappaleen dimensioista. Toinen resonanssitaajuuteen vaikuttava seik-10 ka on dielektrisen resonaattorikappaleen ympäristö. Tuomalla metallinen tai muu johtava pinta tai vaihtoehtoisesti toinen dielektrinen kappale, ns. · säätökappale lähelle resonaattorikappaletta voidaan tarkoituksellisesti vaikuttaa resonaattorin sähkö- tai magneettikenttään ja sitä 15 kautta resonanssitaajuuteen.

Keksinnössä yhdistetään dielektrinen säätötasoon ja johtavaan säätötasoon perustuvat resonanssitaajuudensää-döt, joilla epälineaariset mutta säätökulmakertoimeltaan vastakkaismerkkiset säätökäyrä, joko kaksoissäädinraken-20 teeksi (kuvion 5 suoritusmuoto) tai yhdistelmäsäädinraken- teeksi (kuvion 7 suoritusmuoto), jolla on lineaarisempi säätökäyrä. Keksinnön etuina ovat parantunut lineaarisuus ja pidempi säätömatka, jotka molemmat parantavat säätö-tarkkuutta .

25 Kuviossa 5 on esitetty keksinnön mukaisella kak- soissäädinrakenteella varustettu dielektrinen resonaattori. Resonaattori käsittää sähköä johtavasta materiaalista, kuten metallista valmistetun kotelon 56 sisässä dielektrisen, edullisesti sylinterimäisen tai kiekkomaisen re-30 sonaattorikappaleen 53, joka on kehäpinnaltaan tuettu sivuseiniin kotelon 54 korkeuden keskivaiheilla eristetuen tai -tukien 58 avulla. Kotelo 54 on kytketty maapotenti-aaliin. Kuviossa 5 on esimerkkinä esitetty kytkeytyminen resonaattoriin induktiivisten kytkentäsilmukoiden 55 35 avulla, jotka muodostavat resonaattorin sisääntulon ja 7 97089 ulostulon.

Kaksoissäädinrakenne käsittää johtavan säätötason, jonka muodostaa metallitaso 56, sekä dielektrisen säätö-tason, jonka muodostaa keraaminen taso 57. Metallitaso 56 5 sijaitsee kotelossa 54 resonaattorikiekon 53 yläpuolisessa tilassa 60 yhdensuuntaisesti resonaattorikiekon ylemmän tasopinnan kanssa. Keraaminen säätötaso 57 sijaitsee kotelossa 554 resonaattorikiekon 53 alapuolisessa tilassa 61 yhdensuuntaisesti resonaattorikiekon 53 alemman tasopinnan 10 kanssa. Säätötasoja 56 ja 57 liikuttava säätömekanismi käsittää säätöruuvin 51, joka on kiinnitetty kierteillä kotelon 54 kannessa olevaan eristeholkkiin. Säätöruuvin 51 alapää muodostaa tapin 58, joka ulottuu resonaattorikiekon 53 aksiaalisen keskireiän 59 läpi resonaattorikiekon 53 15 alapuoliseen tilaan 61. Metallinen säätötaso 56 kiinnitetty säätöruuviin 51 tapin 58 yläpäässä ja keraaminen säätö-taso 57 tapin 58 alapäässä. Säätöruuvin 51 liike siirtää dielektristä säätötasoa 57 resonaattorikiekon 53 alempaan tasopintaan nähden ja metallista säätötasoa 56 resonaatto-20 rikiekon 53 ylempään tasopintaan nähden muuttaen niiden etäisyyksiä resonaatorikiekon 53 vastaavista tasopinnoista samanaikaisesti ja samanverran mutta vastakkaisiin suuntiin. Metallisen säätötason ollessa säätöalueen L päässä, joka on kauimpana resonaattorikiekosta 53, keraamisen sää-25 tötaso 57 on säätöalueen päässä, joka on lähinnä resonaat-torikiekkoa 53. Tämä vastaa kuvion 5 mukaista asentoa. Taajuussäätimen toisen ääriasento on kuvattu katkoviivoilla, jolloin säätötaso 56 lähinnä resonaattorikiekkoa 53 ja säätötaso 57 kauimpana siitä.

30 Kuten kuvion 6 kuvaajasta ilmenee, metallisella säätötasolla 56 ja dielektrisellä säätötasolla 57 on , oleellisesti samanlaiset mutta säätökulmakertoimiltaan vastakkaiset taajuudensäätökäyrät A ja B siten, että taa-juudensäätimen yhdistetty taajuudensäätökäyrä C on oleel-35 lisesti lineaarinen.

8 97089

Kuviossa 7 on esitetty keksinnön mukaisella yhdis-telmäsäädinrakenteella varustettu dielektrinen resonaattori. Resonaattori käsittää sähköä johtavasta materiaalista, kuten metallista valmistetun kotelon 74 sisässä dielektri-5 sen, edullisesti sylinterimäisen resonaattorikiekon 73, joka on edullisesti keraaminen ja sijoitettu kiinteälle etäisyydelle kotelon 74 pohjasta sopivasta dielektrisestä tai eristemateriaalista valmistetun tukijalan 76 varaan. Kotelo 74 on kytketty maapotentiaaliin. Kuviossa 7 on esi-10 merkkinä esitetty kytkeytyminen resonaattoriin induktiivisten kytkentäsilmukoiden 75 avulla, jotka muodostavat resonaattorin sisääntulon ja ulostulon.

Yhdistelmäsäädinrakenne käsittää johtavan säätö-tason, jonka muodostaa metallitaso 72, sekä johtavan sää-15 tötason alapintaan, joka on resonaattorikiekon 73 ylempään tasopintaan päin, liitetyn dielektrisen säätökappaleen 77, niin että muodostuu yhdistelmärakenne, joka sijaitsee kotelossa 74 resonaattorikiekon 73 yläpuolisessa tilassa yhdensuuntaisesti resonaattorikiekon 73 ylemmän tasopinnan 20 kanssa. Liittäminen tapahtuu esim. liimalla. Yhdistel-mäsäädin 72,77 on kiinnitetty säätömekanismiin, jonka muodostaa kotelon 74 kanssa olevaan läpivientiholkkiin kierteillä kiinnitetty säätöruuvi 71, siten,että yhdistelmärakenne 72,77 on kokonaisuutena siirrettävissä reso-25 naattorikiekon 73 tasopintaan nähden kohtisuorassa suunnassa yhdistelmärakenteen ja tasopinnan välisen etäisyyden muuttamiseksi,

Metallisella säätötasolla 72 ja dielektrisellä sää-tötasolla 77 on oleellisesti samanlaiset mutta säätökulma-30 kertoimiltaan vastakkaiset taajuudensäätökäyrät, jolloin : yhdistelmäsäätimen taajuudensäätökäyrä D on hyvin lineaa rinen, kuten kuviossa 8 on havainnollistettu.

Kuviot ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Yksityis-35 kohdiltaan keksinnön mukainen resonaattori voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (5)

97089

1. Dielektrinen resonaattori, joka käsittää dielektrisen resonaattorikiekon (53), jolla on kak- 5 si tasopintaa, ja taajuudensäätimen, joka käsittää säätömekanismin (51) ja sähköä johtavan säätötason (56), joka on oleellisesti yhdensuuntainen dielektrisen resonaattorikiekon (53) yhden tasopinnan kanssa ja säätömekanismin (51) avulla 10 siirrettävissä siihen nähden kohtisuorassa suunnassa reso- nanssitaajuuden säätämiseksi säätötason ja dielektrisen resonaattorikiekon mainitun yhden tasopinnan välistä etäisyyttä muuttamalla, sähköä johtavan kotelon (54), tunnettu 15 siitä, että taajuudensäädin lisäksi käsittää dielektrisen säätötason (57), joka on oleellisesti yhdensuuntainen dielektrisen resonaattorikiekon (53) toisen tasopinnan kanssa ja kiinnitetty samaan säätömekanismiin (51, 58) mainitun joh-20 tavan säätötason (56) kanssa siten, että dielektrinen sää-tötaso (57) on siirrettävissä mainittuun toiseen tasopin-taan nähden kohtisuorassa suunnassa dielektrisen säätötason (57) ja dielektrisen resonaattorikiekon (53) mainitun toisen tasopinnan välisen etäisyyden muuttamiseksi saman-25 aikaisesti ja samanverran mutta vastakkaiseen suuntaan kuin johtavan säätötason (56) ja mainitun yhden tasopinnan välinen etäisyys, johtavalla säätötasolla (56) ja dielektrisellä sää-tötasolla (57) on oleellisesti samanlaiset mutta säätökul-30 makertoimiltaan vastakkaiset taajuudensäätökäyrät siten, että taajuudensäätimen yhdistetty taajuudensäätökäyrä on oleellisesti lineaarinen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen dielektrinen resonaattori, tunnettu siitä, että 35 dielektrinen resonaattorikiekko (53) on tuettu reu- 97089 noistaan koteloon (54) ja käsittää aksiaalisen läpireiän (59), taajuudensäätömekanismi käsittää säätöruuvin (51, 58), joka ulottuu mainitun reiän (59) läpi, 5 johtava säätötaso (56) on kiinnitetty säätöruuviin (51, 58) resonaattorikiekon (53) yhdellä puolella ja di-elektrinen säätötaso (57) on kiinnitetty säätöruuviin (51, 58) resonaattorikiekon vastakkaisella puolella.

3. Dielektrinen resonaattori, joka käsittää 10 dielektrisen resonaattorikiekon (73), jolla on kak si tasopintaa, ja taajuudensäätimen, joka käsittää säätömekanismin (71) ja sähköä johtavan säätötason (72), joka on oleellisesti yhdensuuntainen dielektrisen resonaattorikiekon (73) 15 yhden tasopinnan kanssa ja säätömekanismin (71) avulla siirrettävissä siihen nähden kohtisuorassa suunnassa reso-nanssitaajuuden säätämiseksi säätötason ja dielektrisen resonaattorikiekon mainitun yhden tasopinnan välistä etäisyyttä muuttamalla, 20 sähköä johtavan kotelon (74), tunnettu siitä, että taajuudensäädin lisäksi käsittää ainakin yhden dielektrisen säätökappaleen (77), joka on liitetty yhdistel-märakenteeksi mainitun johtavan säätötason (72) kanssa ja 25 kiinnitetty samaan säätömekanismiin (71) siten, että yh- distelmärakenne (72, 77) on kokonaisuutena siirrettävissä mainittuun dielektrisen resonaattorikiekon (73) tasopin-taan nähden kohtisuorassa suunnassa yhdistelmärakenteen ja tasopinnan välisen etäisyyden muuttamiseksi, 30 johtavalla säätötasolla (72) ja mainitulla ainakin yhdellä dielektrisellä säätökappaleella (77) on oleellisesti samanlaiset mutta säätökulmakertoimiltaan vastakkaiset taajuudensäätökäyrät siten, että yhdistelmäsäätimen yhdistetty taajuudensäätökäyrä on oleellisesti lineaari-35 nen. 97089

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen dielektrinen resonaattori, tunnettu siitä, että dielektrinen säätökappale (77) on dielektrinen kiekko, joka on liitetty metallisen säätötason (72) pintaan, joka on vastapäätä 5 mainittua resonaattorikiekon (73) tasopintaa.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen dielektrinen resonaattori, tunnettu siitä, että yhdistelmäsäädin käsittää useita dielektrisiä säätökappaleita, jotka on liitetty johtavaan säätölevyyn. 97089