FI97091B - Dielektrinen resonaattori - Google Patents

Description

97091

Dielektrinen resonaattori • Keksinnön kohteena on dielektrinen resonaattori, joka käsittää dielektrisen sylinterimäisen resonaattori-5 kappaleen, jossa on samankeskinen sylinterimäinen syvennys, taajuudensäätimen, joka käsittää säätöruuvin ja toisen dielektrisen sylinterimäisen säätökappaleen, joka on säätöruuvin avulla siirrettävissä aksiaalisuunnassa re-sonaattorikappaleen syvennyksen sisässä resonanssitaajuu-10 den säätämiseksi, ja sähköä johtavan kotelon.

Viime aikoina ovat ns. dielektriset resonaattorit tulleet entistä kiinnostavimmiksi suurtaajuus- ja mikro-aaltoalueen resonaattorirakenteiksi, koska perinteisiin resonaattorirakenteisiin verrattuna niillä on mahdollista 15 saavuttaa 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 20 pienet dielektriset häviöt ja korkea suhteellinen dielekt-risyysvakio. Valmistusteknisistä syistä dielektrinen resonaattori on yleensä sylinterin muotoinen, esim. sylinterimäinen kiekko.

Dielektristen resonaattoreiden rakennetta ja toi-25 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-30 ziuszko, Microwave Journal, September 1986, p. 189-189.

' [3] "Cylindrical Dielectric Resonators and Their Applica tions 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.

35 Dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuus mää- 2 97091 räytyy ensisijaisesti resonaattorikappaleen dimensioista. Toinen resonanssitaajuuteen vaikuttava seikka on resonaattorin ympäristö. Tuomalla metallinen tai muu johtava pinta lähelle resonaattoria voidaan tarkoituksellisesti vaikut -5 taa resonaattorin sähkö- tai magneettikenttään ja sitä kautta resonanssitaajuuteen. Tyypillisessä dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuuden säätömenetelmässä sääde-täänkin johtavan metallitason etäisyyttä resonaattorin tasopinnasta. Resonanssitaajuus muuttuu epälineaarisesti 10 säätöetäisyyden funktiona. Tästä epälineaarisuudesta ja suuresta säätöjyrkkyydestä johtuen resonanssitaajuuden säätäminen tarkasti, erityisesti säätöalueen yläpäässä, on hankalaa ja tarkkuutta vaativaa. Lisäksi kuormittamaton Q-arvo muuttuu johtavan tason etäisyyden funktiona.

15 Q-arvo saadaan pysymään vakiona ja taajuudensäätö saadaan lineaarisemmaksi laajemmalla alueella tuomalla resonaattorikappaleen ympäristöön johtavan säätötason sijasta toinen dielektrinen kappale. Tässäkin tapauksessa säätökäyrä on edelleen jyrkkä. Eräs tällainen tunnettu 20 dielektrinen suodatinrakenne on esitetty kuviossa 1, jossa resonaattori käsittää induktiiviset kytkentäsilmukat 5 (sisääntulo ja ulostulo), metallikoteloon 4 dielektrisen tai eristetuen 6 varaan sijoitetun dielektrisen sylinteri-mäisen resonaattorikappaleen 3, jossa on samankeskinen 25 sylinterimäinen syvennys 7. Lisäksi resonaattorissa on taajuudensäätömekanismi, joka käsittää säätöruuvin 1 ja dielektrisen sylinterimäisen säätökappaleen 2, joka on säätöruuvin 1 avulla siirrettävissä aksiaalisuunnassa resonaattorikappaleen 3 syvennyksen 7 sisässä resonanssitaa-30 juuden säätämiseksi. Resonaattorin resonanssitaajuus riip-. puu resonaattorikappaleen 3 syvennyksen 7 pohjan ja säätö- kappaleen 2 alapinnan välisestä etäisyydestä L kuvion 2 kuvaajan mukaisella tavalla.

Kuten kuviosta 2 voidaan nähdä, taajuudensäätö pe-35 rustuu hyvin tarkkaan mekaaniseen liikkeeseen, minkä li- 3 97091 säksi säätöjyrkkyys k on suuri. Resonanssitaajuuden kasvaessa esim. alueelle 1500-2000 MHz tai suuremmaksi, die-lektrisen suodattimen perusosien, kuten resonaattorikappa-leen 3 tai säätömekanismin 1, 2 dimensiot pienenevät. Tä-5 män seurauksena dielektrisen resonaattorin resonanssitaa-juuden säätäminen perinteisillä ratkaisuilla asettaa hyvin suuret vaatimukset taajuudensäätömekanismille, mikä puolestaan nostaa materiaali- ja tuotantokustannuksia. Lisäksi koska taajuussäätimen mekaaniset liikkeet on saatava 10 erittäin pieniksi, säätö tulee hitaammaksi.

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

Tämä saavutetaan dielektrisellä resonaattorilla, jolle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista, että 15 toinen sylinterimäinen resonaattorikappale käsittää dielektrisen hienosäätöresonaattorikappaleen, joka on kiinnitetty säätöruuviin ja sovitettu sijaitsemaan toisen resonaattorin sisällä siten, että säätöruuvin liikkeellä voidaan säätää hienosäätöresonaattorikappaleen ulkonemaa 20 toisen resonaattorikappaleen siitä päästä, joka on ensimmäisen resonaattorikappaleen syvennyksessä.

Keksinnön mukaisen resonaattorin taajuudensäädin muodostuu kahdesta yhdistetystä dielektrisestä säätökappa-leesta, jotka on mekaanisesti kytketty toisiinsa siten, 25 että niiden liike toistensa ja resonaattorikappaleen suh-*' teen aikaansaa kaksi säätövaihetta säätöliikkeen aikana.

Säätöliikkeen alussa pienempi ns. hienosäätökappale liikkuu suuremman säätökappaleen ja resonaattorikappaleen suhteen ennaltamäärätyn matkan suuremman säätökappaleen pysy-30 essä paikallaan, edullisesti erityisen kitkapinnan avulla. Kun pienempi säätökappale on liikkunut mainitun matkan, myös suurempi säätökappale alkaa liikkua säätöliikkeen mukaisesti. Näin aikaansaadaan dielektrinen resonaattori, jossa taajuussäätimellä on kaksi säätökulmakerrointa, jol-35 loin säätö on molempien säätökappaleiden liikkeen ansiosta 4 97091 nopea ja hienosäätöominaisuuden, joka saavutetaan pienemmän säätökappaleen liikkuessa yksinään, takia myös erittäin tarkka. Keksinnön ansiosta säätötarkkuus voidaan parantaa jopa kymmenkertaiseksi, joten säätömekaniikan tark-5 kuusvaatimuksia ei tarvitse kasvattaa taajuuden kasvaessa tai niitä voidaan jopa lieventää nykyisin käytetyillä taajuuksilla .

Keksintöä selitetään seuraavassa yksityiskohtaisemmin suoritusesimerkkien avulla viitaten oheisiin piirrok-10 siin, joissa kuvio 1 esittää sivupoikkileikkauskuvan eräästä tekniikan tason mukaisesta dielektrisestä resonaattorista,

kuvio 2 esittää kuvaajan, joka havainnollistaa kuvion 1 resonaattorin resonanssitaajuutta etäisyyden L

15 funktiona, kuvio 3 esittää sivupoikkileikkauskuvan eräästä keksinnön mukaisesta dielektrisestä resonaattorista,

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

20 funktiona, ja kuvio 4A esittää suurennetun yksityiskohdan kuvion 4 kuvaajasta.

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

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

Il al t Hilu I >4-«* - 5 97091 sylinterimäinen kiekko. Käytetyin materiaali on keraaminen materiaali.

Kuviossa 3 on esitetty eräs keksinnön mukainen die-lektrinen resonaattori, joka käsittää sähköä johtavasta , 5 materiaalista, kuten metallista valmistetun kotelon 36 si sässä dielektrisen, edullisesti sylinterimäisen resonaat-torikappaleen 35, joka on edullisesti keraaminen ja sijoitettu kiinteälle etäisyydelle kotelon 36 pohjasta sopivasta dielektrisestä tai eristemateriaalista valmistetun tulo kijalan 38 varaan. Kotelo 36 on kytketty maapotentiaa-liin.

Dielektrisen resonaattorin > sähkömagneettikentät ulottuvat resonaattorikappaleen ulkopuolelle, joten se voidaan helposti kytkeä muuhun resonaattoripiiriin sähkö-15 magneettisesti hyvin monella tavalla sovellutuksesta riippuen, esim. dielektrisen resonaattorin läheisyyteen sijoitetulla mikroliuskajohtimella, taivutetulla koaksiaalijohtimella, tavallisella suoralla johtimella, jne. Kuviossa 3 on esimerkkinä esitetty kytkeytyminen resonaattoriin in-20 duktiivisten kytkentäsilmukoiden 37 avulla, jotka muodostavat resonaattorin sisääntulon ja ulostulon.

Dielektrisen resonaattorin resonanssitaajuus mää-räytyy ensisijaisesti dielektrisen resonaattorikappaleen 35 dimensioista. Toinen resonanssitaajuuteen vaikuttava 25 seikka on dielektrisen resonaattorikappaleen ympäristö.

*· Tuomalla metallinen tai muu johtava pinta tai vaihtoehtoi sesti toinen dielektrinen kappale, ns. säätökappale lähelle resonaattorikappaletta voidaan tarkoituksellisesti vaikuttaa resonaattorin sähkö- tai magneettikenttään ja sitä 30 kautta resonanssitaajuuteen. Keksinnön mukaisen resonaattorin säädössä käytettävä dielektrinen säätöosa muodostuu kahdesta yhdistetystä dielektrisestä säätökappa-leesta 32 ja 33, jotka on mekaanisesti kytketty toisiinsa siten, että niiden liike toistensa ja keraamisen kappa-35 leen suhteen aikaansaa kaksi säätövaihetta säätöliikkeen β 97091 6 aikana. Säätöliikkeen alussa pienempi säätökappale 33, ns. hienosäätökappale liikkuu suuremman säätökappaleen 32 ja dielektrisen resonaattorikappaleen 35 suhteen ennalta-määrätyn matkan L2 suuremman säätökappaleen 32 pysyessä 5 paikallaan erityisen kitkapinnan avulla. Kun pienempi sää-tötaso on liikkunut mainitun matkan L2, myös suurempi säätökappale 33 alkaa liikkua säätöliikkeen mukaisesti.

Tarkemmin kuvattuna resonanssitaajuudensäädin käsittää dielektrisen (edullisesti keraamisen) dielektrisen 10 sylinterimäisen säätökappaleen 33, joka on säätömekanismin avulla siirrettävissä aksiaalisuunnassa resonaattorikappaleen 35 yläpinnalla olevan sylinterinmuotoisen syvennyksen 43 sisässä resonanssitaajuuden säätämiseksi. Säätömekanis-mi muodostuu säätöruuvista 31 ja läpivientiholkista 42 tai 15 muusta sopivasta säätömekanismista. Resonanssitaajuuden-säädin käsittää myös dielektrisen hienosäätökappaleen 33, joka on kiinnitetty säätömekanismiin 31 ja sovitettu sijaitsemaan säätökappaleen 33 sisällä siten, että säätömekanismin 31 liikkeellä voidaan säätää hienosäätökappaleen 20 32 ulkonemaa säätökappaleen 33 siitä päästä, joka on re sonaattorikappaleen 35 syvennyksessä 43. Resonaattorikappaleen 35 syvennyksen 43 ja säätökappaleen 32 välinen kosketuspinta on kitkapinta 34, joka pitää säätökappaleen 33 paikallaan resonaattorikappaleen 35 sisällä, kun hienosää-25 tökappaletta liikutetaan säätömekanismilla.

Kuvion 3 suoritusmuodossa sylinterimäinen säätökappale 32 käsittää pituussuuntaiselta poikkileikkaukseltaan I-muotoisen keskireiän 41, joka ulottuu aksiaalisuunnassa säätökappaleen 32 läpi yläpinnalta alapinnalle. Hienosää-30 tökappale 33 hienosäätökappale on pituussuuntaiselta poikkileikkaukseltaan I-muotoinen ja varsiosaltaan (kapea keskiosuus) pidempi kuin säätökappaleen 32 keskireiän kapeampi keskiosuus, niin että keskireikään 41 sijoitetulle hienosäätökappaleelle 33 sallitaan ennalta määrätty aksi-35 aalinen liikealue L2 säätökappaleen 32 sisällä ennenkuin 7 97091 I-muotoisen hienosäätökappaleen 33 ylempi tai alempi pää-tysakara (leveämpi päätyosuus) koskettaa säätökappaleen 32 I-muotoisen keskireiän 41 vastaavasti ylemmän tai alemman päätysyvennyksen (keskireiän leveämpi suuaukko) pohjaa . 5 aiheuttaen tartunnan, joka siirtää säätömekanismin 1 liik keen hienosäätökappaleen 33 kautta myös säätökappaleen 32 aksiaaliseksi liikkeeksi, jolla kitkapinnan 34 kitka voitetaan. Säätökappaleen 32 sallittu liikealue on LI.

Näin aikaansaadaan dielektrinen resonaattori, jossa 10 taajuussäätimellä on kaksi säätökulmakerrointa, jolloin säätö on molempien säätökappaleiden 32 ja 33 liikkuessa nopea ja pienemmän hienosäätökappaleen 33 liikkuessa yksinään hitaampi mutta erittäin tarkka. Kuvion 4 kuvaaja esittää keksinnön mukaisen resonaattorin resonanssitaajuu-15 den fo säätötason liikkeen L funktiona. Kuviossa 4 käyrä A kuvaa säätöä molempien säätökappaleiden 32 ja 33 liikkuessa, jolloin säätökulmakerroin on kl, esim. 5,5 MHz/mm. Katkoviivalla esitetyn ympyrän kohdalla suoritetaan hienosäätö pelkällä säätökappaleen 33 liikkeellä, mikä ai-20 kaansaadaan muuttamalla säätöruuvin 31 liikesuunta. Hie-nosäätötilannetta vastaava käyrän A osa on esitetty suurennettuna kuviossa 4a, jossa nähdään että hienosäädön kulmakerroin k2 on huomattavasti pienempi kuin kl, esim. 0,54 MHz/mm. Säätökertoimien suhde k2/k on suoraan verran-25 nollinen säätökappaleiden 32 ja 33 pinta-alojen suhtee-“ seen. Toisin sanoen sopivat säätökulmakertoimet voidaan valita säätökappaleiden koon sopivalla valinnalla.

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

Claims (7)

8 97091

1. Dielektrinen resonaattori, joka käsittää dielektrisen sylinterimäisen resonaattorikappaleen 5 (35), jossa on samankeskinen sylinterimäinen syvennys (43), ja taajuudensäätimen, joka käsittää säätömekanismin (31) ja dielektrisen sylinterimäisen säätökappaleen (32), joka on säätömekanismin avulla siirrettävissä aksiaali- 10 suunnassa resonaattorikappaleen syvennyksen (43) sisässä resonanssitaajuuden säätämiseksi, ja sähköä johtavan kotelon (36), tunnettu siitä, että sylinterimäisen säätökappale (32) käsittää dielekt-15 risen hienosäätökappaleen (33), joka on kiinnitetty säätö-mekanismiin (31) ja sovitettu sijaitsemaan säätökappaleen (32) sisällä siten, että säätömekanismin liikkeellä voidaan säätää hienosäätökappaleen (33) ulkonemaa säätökappaleen siitä päästä, joka on resonaattorikappaleen (35) sy- 20 vennyksessä (43) .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen dielektrinen resonaattori, tunnettu siitä, että hienosäätökappale (33) ja säätökappale (32) on varustettu tartuntavälineillä, jotka sallivat hienosäätökap-25 paleen ennalta määrätyn aksiaalisen liikkeen säätökappaleen sisässä ennen hienosäätökappaleen ja säätökappaleen välistä tartuntaa säätömekanismin liikkeen siirtämiseksi myös säätökappaleen aksiaaliseksi liikkeeksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen dielektri- 30 nen resonaattori, tunnettu siitä, että sylinteri mäinen säätökappale (32) käsittää pituussuuntaiselta poikkileikkaukseltaan I-muotoisen keskireiän (41), ja että hienosäätökappale (33) on pituussuuntaiselta poikkileik kaukseltaan I-muotoinen ja pidempi kuin mainittu keski- 35 reikä (41) siten, että sallitaan hienosäätökappaleen (33) i «a. e li t: ie t st : 9 97091 määrätty aksiaalinen liike säätökappaleen sisällä ennenkuin I-muotoisen hienosäätökappaleen (33) yksi päätysakara koskettaa säätökappaleen I-muotoisen keskireiän (41) yhden päätysyvennyksen pohjaa aiheuttaen tartunnan, joka siirtää - 5 säätömekanismin (31) liikkeen myös säätökappaleen aksiaa liseksi liikkeeksi.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen dielekt-rinen resonaattori, tunnettu välineistä (34), jotka pitävät säätökappaleen paikallaan resonaattorikappa- 10 leen sisällä, kun hienosäätökappaletta liikutetaan säätö-mekanismilla.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen dielektrinen resonaattori, tunnettu siitä, että resonaattorikappaleen syvennyksen ja säätökappaleen 15 välinen kosketuspinta on kitkapinta (34), joka pitää säätökappaleen (32) paikallaan resonaattorikappaleen (35) sisällä, kun hienosäätökappaletta (33) liikutetaan säätömek-anismilla (31).

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen 20 dielektrinen resonaattori, tunnettu siitä, että säätö kappaleen (32) ja hienosäätökappaleen (33) yhteisen liikkeen aikana taajuussäädöllä on ensimmäinen säätö-jyrkkyys, ja että hienosäätökappaleen (33) liikkuessa yksinään taajuussäädöllä on toinen säätöjyrkkyys, joka huo-25 mattavasti pienempi suhteessa ensimmäiseen säätöjyrkkyy- teen.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen dielektrinen resonaattori, tunnettu siitä, että säätömekanismi käsittää säätöruuvin, joka on kiinnitetty 30 koteloon. • 10 97091