FI97090B - Dielektrinen resonaattori - Google Patents

Description

97090

Dielektrinen resonaattori

Keksinnön kohteena on dielektrinen resonaattori, joka käsittää dielektrisen kappaleen, jolla ainakin yksi 5 tasopinta, taajuudensäätiraen, joka käsittää säätömekanis-min ja sähköä johtavan säätötason, joka on oleellisesti yhdensuuntainen dielektrisen kappaleen tasopinnan kanssa ja säätömekanismin avulla siirrettävissä siihen nähden kohtisuorassa suunnassa resonanssitaajuuden säätämiseksi 10 säätötason ja dielektrisen kappaleen tasopinnan välistä etäisyyttä muuttamalla, sekä 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- ' j 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 97090

Dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuus määräytyy ensijaisesti 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. 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 sijoitetun dielektrisen resonaattorikiekon 3 sekä metalli-15 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 tavalla.

20 Kuten kuviosta 2 voidaan nähdä, taajuudensäätö pe rustuu hyvin tarkkaan mekaaniseen liikkeeseen, minkä lisäksi säätöjyrkkyys k on suuri. Resonanssitaajuuden kasvaessa esim. alueelle 1500-2000 MHz tai suuremmaksi, dielektrisen suodattimen perusosien, kuten resonaattorikiekon 25 3 tai säätömekanismin 1,2 dimensiot pienenevät. Tämän seu rauksena dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuuden säätäminen perinteisillä ratkaisuilla asettaa hyvin suuret vaatimukset taajuudensäätömekanismille, mikä puolestaan nostaa materiaali- ja tuotantokustannuksia. Lisäksi koska 30 taajuussäätimen mekaaniset liikkeet on erittäin pieniksi, . säätö tulee hitaammaksi.

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

Tämä saavutetaan dielektrisellä resonaattorilla, 35 jolle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista, että taajuu- 3 97090 densäädin lisäksi käsittää ensimmäisen sylinterimäisen tukikappaleen, joka on ' kiinnitetty koteloon, ja sen sisässä kitkapintojen varassa teleskooppimaisesti liukuvan toisen sylinterimäisen tuki-5 kappaleen, rengasmaisen sähköä johtavan säätötason, joka on kiinnitetty toiseen sylinterimäiseen tukikappaleeseen, toisen sähköä johtavan säätötason, joka on kiinnitetty säätömekanismiin ja sovitettu sijaitsemaan rengas-10 maisen säätötason keskiaukossa ja kiinnittymään toiseen tukikappaleeseen sellaisella tavalla, joka siirtää säätö-mekanismin liikkeen ensin toisen säätötason liikkeeksi suhteessa keraamisen kappaleen tasopintaan ennalta määrätyn säätöalueen verran ja tämän jälkeen sekä rengasmaisen 15 että toisen säätötason liikkeeksi.

Keksinnön mukainen resonaattori muodostuu kahdesta yhdistetystä säätötasosta, kuten metallitasosta, jotka on mekaanisesti kytketty toisiinsa siten, että niiden liike toistensa ja keraamisen kappaleen suhteen aikaansaa kaksi : 20 säätövaihetta säätöliikkeen aikana. Säätöliikkeen alussa pienempi säätötaso liikkuu suuremman säätötason ja die-lektrisen kappaleen suhteen ennalta määrätyn matkan suuremman säätötason pysyessä paikallaan erityisen kitkapin-nan avulla. Kun pienempi säätötaso on liikkunut mainitun 25 matkan, myös suurempi säätötaso alkaa liikkua säätöliikkeen mukaisesti. Näin aikaansaadaan dielektrinen resonaattori, jossa taajuussäätimellä on kaksi säätökulmakerroin-ta, jolloin säätö on molempien säätötasojen liikkeen ansiosta nopea ja hienosäätöominaisuuden, joka saavutetaan 30 pienemmän säätötason liikkuessa yksinään, takia myös erit-* * täin tarkka. Keksinnön ansiosta säätötarkkuus voidaan pa rantaa jopa kymmenkertaiseksi, joten säätömekaniikan tarkkuus vaatimuksia ei tarvitse kasvattaa taajuuden kasvaessa tai niitä voidaan jopa lieventää nykyisin käytetyillä taa-35 juuksilla.

4 97090

Keksintöä selitetään seuraavassa yksityiskohtaisemmin suoritusesimerkkien avulla viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 esittää sivupoikkileikkauskuvan eräästä 5 tekniikan tason mukaisesta dielektrisestä resonaattorista, kuvio 2 esittää kuvaajan, joka havainnollistaa kuvion 1 resonaattorin resonanssitaajuutta etäisyyden L funktiona, kuvio 3 esittää sivupoikkileikkauskuvan eräästä 10 keksinnön mukaisesta dielektrisestä resonaattorista, kuvio 4 esittää kuvaajan, joka havainnollistaa kuvion 3 resonaattorin resonanssitaajuutta etäisyyden L funktiona, ja kuvio 4A esittää suurennetun yksityiskohdan kuvion 15 4 kuvaajasta.

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

Tässä termillä dielektrinen resonaattorikappale tarkoitetaan yleisesti mitä tahansa sopivan geometrisen 25 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 30 materiaali.

Kuviossa 3 on esitetty eräs keksinnön mukainen die-lektrinen resonaattori, joka käsittää sähköä johtavasta materiaalista, kuten metallista valmistetun kotelon 36 sisässä dielektrisen, edullisesti sylinterimäisen resonaat-35 torikiekon 35, joka on edullisesti keraaminen ja sijoitet- 5 97090 tu kiinteälle etäisyydelle kotelon 36 pohjasta sopivasta dielektrisestä tai eristemateriaalista valmistetun tukijalan 38 varaan. Kotelo 36 on kytketty maapotentiaaliin. Resonanssitaajuudensäätömekanismi käsittää metalliset (tai 5 muuta sähköä johtavaa materiaalia olevat) säätölevyt 33 ja 34, säätömekanismin 31, sekä läpivientiholkin 42 ja sylin-terimäiset tuet 32 ja 40, jotka ovat eristemateriaalia.

Dielektrisen resonaattorin sähkömagneettikentät ulottuvat resonaattorikappaleen ulkopuolelle, joten se 10 voidaan helposti kytkeä muuhun resonaattoripiiriin sähkö-magneettisesti hyvin monella tavalla sovellutuksesta riippuen, esim. dielektrisen resonaattorin läheisyyteen sijoitetulla mikroliuskajohtimella, taivutetulla koaksiaalijohtimella, tavallisella suoralla johtimella, jne. Kuviossa 3 15 on esimerkkinä esitetty kytkeytyminen resonaattoriin induktiivisten kytkentasilmukoiden 37 avulla, jotka muodostavat resonaattorin sisääntulon ja ulostulon.

Dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuus mää-räytyy ensijaisesti dielektrisen kappaleen 35 dimensiois-20 ta. Toinen resonanssitaajuuteen vaikuttava seikka on dielektrisen kappaleen 35 ympäristö. Tuomalla metallinen tai muu johtava pinta lähelle resonaattoria voidaan tarkoituksellisesti vaikuttaa resonaattorin sähkö- tai magneettikenttään ja sitä kautta resonanssitaajuuteen. Kuvion 3 25 resonaattorissa johtavana pintana toimivat säätölevyt 33 ja 34. Toisin sanoen säätöpinta muodostuu kahdesta yhdistetystä säätötasosta 33 ja 34, jotka on mekaanisesti kytketty toisiinsa siten, että niiden liike toistensa ja keraamisen kappaleen suhteen aikaansaa kaksi säätövaihetta 30 säätöliikkeen aikana. Säätöliikkeen alussa pienempi sää-. tötaso 34 liikkuu suuremman säätötason 33 ja dielektrisen kappaleen 35 tasomaisen yläpinnan suhteen ennalta määrätyn matkan L2 suuremman säätötason pysyessä paikallaan erityisen kitkapinnan avulla. Kun pienempi säätötaso on liik-35 kunut mainitun matkan L2, myös suurempi säätötaso 33 alkaa 6 97090 liikkua säätöliikkeen mukaisesti.

Kuviossa esitetyssä keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa taajuudensäätömekanismi käsittää sylinterimäi-sen tukikappaleen 40, joka on toisesta päästään kiinnitet-5 ty koteloon 36. Tukikappaleen 40 sisässä on sen sisäpinnan varassa teleskooppimaisesti liukuva toinen sylinterimäinen tukikappale 32. Tukikappaleen 40 sisäpinta ja/tai tukikappaleen 32 ulkopinta on kitkapinta siten, että tukikappaleen 32 liikettä vastustaa ennalta määrätty kitka. Rengas-10 mainen metallinen tai muuta sähköä johtavaa materiaalia oleva säätölevy on kiinnitetty sylinterimäiseen tukikappaleen 32 alapäähän. Toinen säätötaso 34 on kiinnitetty sää-töruuvin 31 alapäähän ja sovitettu sijaitsemaan rengasmaisen säätötason 33 keskiaukossa ja kiinnittymään tukikappa-15 leeseen 32 sellaisella tavalla, joka siirtää säätöruuvin 31 liikkeen ensin säätötason 34 liikkeeksi suhteessa re-sonaattorikiekon 35 tasopintaan ennalta määrätyn säätöalu-een L2 verran ja tämän jälkeen sekä rengasmaisen säätö-tason 33 että säätötason 34 liikkeeksi. Säätötaso 34 on 20 edullisesti on taivutettu ympyränmuotoinen metallikalvo, on kiinnitetty reunoistaan sylinterimäisen tukikappaleen 32 alapäässä sisäpinnalla olevaan rengasmaisen olakkeeseen 41 ja keskeltä säätöruuvin 31 alapäähän. Säätöruuvi 31 kiinnittyy kierteillä kotelon 36 yläseinässä olevaan läpi- . 25 vientiholkkiin 42 siten, että säätöruuvia 31 kiertämällä voidaan säätää ruuvin 31 pituutta kotelon 36 ilmatäyttei-sessä sisätilassa 39 ja sitä kautta säätötasojen 33 ja 34 etäisyyttä resonaattorikiekon 35 tasomaisesta yläpinnasta. Säätöruuvin 31 aksiaalinen liike aiheuttaa ensin metalli-30 kalvon 34 taipumisen kunnes taipuminen saavuttaa maksimiarvonsa minkä jälkeen säätöruuvin 31 liike siirtyy metal-likalvon 34 kautta myös rengasmaisen säätötason 33 liikkeeksi .

Näin aikaansaadaan dielektrinen resonaattori, jossa 35 taajuussäätimellä on kaksi säätökulmakerrointa, jolloin 7 97090 säätö on molempien säätötasojen 33 ja 34 liikkuessa nopea ja pienemmän säätötason 34 liikkuessa yksinään hitaampi mutta erittäin tarkka. Kuvion 4 kuvaaja esittää keksinnön mukaisen resonaattorin resonanssitaajuuden f o säätötason 5 liikkeen L funktiona. Kuviossa 4 käyrä A kuvaa säätöä molempien säätötasojen liikkuessa, jolloin säätökulmakerroin on k, esim. 5,5 MHz/mm. Katkoviivalla esitetyn ympyrän kohdalla suoritetaan hienosäätö pelkällä säätötason 34 liikkeellä, mikä aikaansaadaan muuttamalla säätöruuvin 31 10 liikesuunta. Hienosäätötilannetta vastaava käyrän A osa on esitetty suurennettuna kuviossa 4a, jossa nähdään että hienosäädön kulmakerroin k2 on huomattavasti pienempi kuin k, esim. 0,54 MHz/mm. Säätökertoimien suhde k2/k on suoraan verrannollinen säätötasojen 33 ja 34 pinta-alojen 15 suhteeseen. Toisin sanoen sopivat säätökulmakertoimet voidaan valita säätötasojen pinta-alojen sopivalla valinnalla .

Kuviot ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Yksityis-20 kohdiltaan keksinnön mukainen resonaattori voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

4

Claims (4)

1. 8 97090
2. 1. Dielektrinen resonaattori, joka käsittää dielektrisen kappaleen (35), jolla ainakin yksi 5 tasopinta, ja taajuudensäätimen, joka käsittää säätömekanismin (31) ja sähköä johtavan säätötason (33), joka on oleellisesti yhdensuuntainen dielektrisen kappaleen (35) tasopin-nan kanssa ja säätömekanismin (31) avulla siirrettävissä 10 siihen nähden kohtisuorassa suunnassa resonanssitaajuuden säätämiseksi säätötason ja dielektrisen kappaleen tasopin-nan välistä etäisyyttä muuttamalla, sähköä johtavan kotelon (36), tunnettu siitä, että taajuudensäädin lisäksi käsittää 15 ensimmäisen sylinterimäisen tukikappaleen (40), jo ka on kiinnitetty koteloon (36), ja sen sisässä kitkapin-tojen varassa teleskooppimaisesti liukuvan toisen sylinterimäisen tukikappaleen (32), rengasmaisen sähköä johtavan säätötason (33), joka 20 on kiinnitetty toiseen sylinterimäiseen tukikappaleeseen (32) , toisen sähköä johtavan säätötason (34), joka on kiinnitetty säätömekanismiin (31) ja sovitettu sijaitsemaan rengasmaisen säätötason (33) keskiaukossa ja kiinnit-25 tymään toiseen tukikappaleeseen (32) sellaisella tavalla, joka siirtää säätömekanismin (31) liikkeen ensin toisen säätötason (34) liikkeeksi suhteessa keraamisen kappaleen tasopintaan ennalta määrätyn säätöalueen verran ja tämän jälkeen sekä rengasmaisen (33) että toisen säätötason (34) 30 liikkeeksi. • 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen dielektrinen re sonaattori, tunnettu siitä, että toinen säätötaso on kuperaksi taivutettu ympyränmuotoinen metallikalvo (34), joka on reunoistaan kiinnitetty toiseen tukikappa-35 leeseen (32) ja keskeltä kiinnitetty säätömekanismin (31) * . MU 44 li I i * St ' 9 97090 päähän, jolloin säätömekanismin liike aiheuttaa ensin me-tallikalvon (34) taipumisen kunnes taipuminen saavuttaa maksimiarvonsa minkä jälkeen säätömekanismin liike siirtyy metallikalvon (34) kautta myös rengasmaisen säätötason 5 (33) liikkeeksi.
3. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen dielektri- nen resonaattori, tunnettu siitä, että rengasmaisen säätötason (33) liikkuessa taajuussäädöllä on ensimmäinen säätöjyrkkyys, ja että toisen säätötason (34) 10 liikkuessa yksinään taajuussäädöllä on toinen säätöjyrk- kyys, joka huomattavasti pienempi suhteessa ensimmäiseen säätöjyrkkyyteen.
4. 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen dielektrinen resonaattori, tunnettu siitä, että 15 säätömekanismi käsittää säätöruuvin (31). 10 97090