IT9022557A1 - Sistema per sintonizzare risonatori dielettrici ad alta frequenza e risonatori cosi ottenuti. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto d'invenzione industrale dal titolo:

SISTEMA PER SINTONIZZARE RISONATORI DIELETTRICI AD ALTA FREQUENZA E RISONATORI COSI' OTTENUTI"

Riassunto

Il sistema secondo l’invenzione per sintonizzare risonatori dielettrici ad alta frequenza, risonanti nel modo TEol in campi di frequenza ad es. da 400MHz a 20GHz, preferibilmente da 900 a 4000MHz, effettua l'accoppiamento per penetrazione almeno di un dielettrico maschio M di diametro esterno "d" in un risonatore femmina F di diametro D e altezza H: in una forma di realizzazione, per ottenere variazioni ad es. dal 4 al 5% della frequenza di sintonia nel modo TEol nella banda da 925 a 970MHz, il rapporto d/D è compreso tra 0,4 e 0,8 e l'accoppiamento assiale o penetrazione n/H è compreso tra 0,3 e 0,7, dove h è la parte di M impegnata assialmente in F.

Descrizione

La presente invenzione concerne un sistema di sintonizzazione di risonatori dielettrici ad alta frequenza, in particolare risonatori funzionanti nel modo TEol tra 400 e 20.000 preferibilmente fra 925 e 970MHz, nel quale sistema la sintonia è ottenuta sostanzialmente variando la penetrazione di un risonatore maschio in un risonatore femmina ,

Il trovato comprende anche i risanatori ottenuti col sistema in questione, comprendenti generalmente:

-una cavità risonante, di preferenza fatta di metallo ad alto coefficiente di dilatazione con la temperatura;

-due corpi dielettrici compenetrabili aventi alta costante dielettrica e stabilità alla temperatura; un supporto per ciascun dielettrico, ed almeno un organo di regolazione della posizione relativa fra i due dielettrici .

Descrizione dell'Arte Nota

E' noto il travolgente sviluppo della tecnica delle telecomunicazioni; è altresì nota la tendenza a trasmettere ogni volta il massimo numero di segnali e quindi bande di frequenza sempre più larghe. In questo contesto gioca un ruolo importante la sintonizzazione, in particolare quella ottenuta con risonatori consistenti sostanzialmente di cavità risonanti. Da questi sono derivati i risonatori dielettrici ottenuti mediante inserimento nella cavità di almeno un corpo dielettrico generalmente a forma cilindrica avente valori elevati della costante dielettrica e bassi valori del coefficiente di dilatazione termica. La grande costante dielettrica permette di miniaturizzare i risonatori e quindi di operare a frequenze dell'ordine del GHz, frequenze alle quali i risonatori a basse perdite in aria sono troppo ingombranti. La grande stabilità termica è necessaria per utilizzare i risonatori nei filtri molto selettivi richiesti dal grande affollamento delle bande di frequenza.

I risonatori del tipo descritto devono poter essere sintonizzati in bande di frequenza larghe, all'interno delle quali deve essere controllata l'influenza esercitata dalla temperatura sugli organi di sintonia. Poiché questi ultimi sono ancorati ad un involucro che, per ragioni di costo, non può avere alta stabilità si.presenta il problema di eseguire la sintonia con mezzi che, al variare della temperatura, esercitino la stessa influenza a tutte le frequenze della gamma di sintonia. Solo così infatti si può effettuare la compensazione termica a tutte le frequenze della gamma di sintonia.

Aspetti, caratteristiche, geometrie, vantaggi ecc.ecc. dei risonatori dielettrici sono largamente descritti in letteratura. Ad esempio a pagina 1 del capitolo "Design Consideration and Applications" del catalogo della Società Trans-Tech sono riportati cenni sulla non breve storia dei risonatori dielettrici e alla pag. 2 fig.5 la prima e più diffusa forma di realizzazione ad un solo dielettrico (fisso, frontalmente affacciato su una piastra metallica spostabile con vite). Nel recente articolo "Tunable, Hybrid Mode Dielectric Resonance... " di Chen e West, in Applied MICROWAVE Aug./Sept. 1989 pagg.66 e seg. sono analizzati diversi aspetti di risonatori a doppio dielettrico, schematizzati nella fig.l a pag.67, che riportiamo come Tecnica Nota nella fig.l allegata. In questa figura DI e D2 'indicano i due dielettrici aventi le facce interne libere prospicienti 1 e 2 ad una distanza tra loro d=2Lc, (Le è la distanza di ciascuna faccia dalla traccia M del piano di simmetria); HD indica l'altezza, (perciò il diametro, nel caso di un dielettrico cilindrico) e Lb lo spessore di ciascun dielettrico DI risp. D2; SI e S2 i relativi supporti a viti filettate, passanti attraverso lo spessore della cavità risonante metallica CA.

In fig. 1, DI e D2 sono rappresentati come entrambi spostabili con viti SI e S2 per modificare la detta distanza d=2Lc fra le facce prospicienti 1 e 2, mantenute però sempre SEPARATE e PARALLELE.

Ad una distanza "d" decrescente (cioè d tendente a zero) corrispondono frequenze decrescenti minori, sostanzialmente a causa della maggiore concentrazione di campo all'interno dei dielettrici.

Questa sistema ha consentito da una parte di risolvere il problema sopratutto per quanto attiene allo spazio, dall'altra è però afflitto, dall'inconveniente non trascurabile di presentare una legge non lineare tra la distanza "d" dei dielettrici DI e D2 e la frequenza di sintonia Fs nella banda voluta.

Per effetto di questa non linearità, a parità di variazione della distanza "d" si possono avere variazioni più forti o più deboli di Fs, a seconda del valore stesso di Fs.

Analogamente, a questa non linearità corrisponde un'influenza, diversa alle diverse frequenze, della dilatazione termica della cavità CA alla quale sono ancorati i dielettrici DI e D2. Di consequenza la stabilità termica dei dielettrici può essere scelta in modo da compensare la deriva della cavità sostanzialmente ad una sola frequenza.

Nel lavoro di Kajfez e Lebaric " Numerical Analysis of thè Tubular Dielectric Resonator with a Dielectric Tuning Rod" pagg.1235-1238 di 1989 IEEE MITT-S Digest, è illustrata il caso di una cavità con un risonatore dielettrico (cilindrico forato) RU ed un'asta di sintonia molto piccola TR spostabile in RU.

Nelle figure 2 e 3 sono riportate la sezione schematica di questa cavità sperimentale, rispettivamente il diagramma penetrazione dell'asta/frequenza di sintonia (così come mostrati nelle figure 1 e 3 di detto lavoro).

Dal diagramma si evince che nei modi TEol, TEo2, HEM11, HEM12, HEM21, HEM13, HEM22 e HEM14 non è possibile avere variazioni di frequenza ad es. nella banda da 5 a 10GHz.

Con un risonatore dielettrico tubolare si hanno variazioni della frequenza anche fino al 14% salo nei modi TMol ed (in misura minore) in TMo2 con, però, interferenze con HEM12 rispett. HEM14.

Come si vede, il sistema sperimentale consistente di un solo risonatore tubolare dielettrico e di un'asta di vite dielettrica, presenta limiti e complicazioni.

Sommario dell'invenzione

Primo scopo dell'invenzione è quello di provvedere un sistema che elimini gli inconvenienti suddetti. Un altro scopo è un sistema che consenta di ottenere un "maximum maximorum" nelle caratteristiche salienti di un risonatore dielettrico, in particolare, elevata linearità della frequenza di sintonia in funzione dall'accoppiamento fra corpi dielettrici, una compensazione della dilatazione termica dell'involucro (viti e supporti compresi), sostanzialmente costante a tutte le frequenze di sintonia, e ulteriore miniaturizzazione.

Questi ed altri scopi sono ottenuti con il sistema secondo l'invenzione che si caratterizza per il fatto che varianzioni dal 4 al 5% nella frequenza di sintonizzazione prodotta con cavità risonanti nel modo TEol in una banda da 400 a 20.000 preferibilmente da 925 a 970 MHz sono attenuti con due risuonatori dielettrici, uno femmina di diametro esterno D ed altezza (assiale utile) H e l'altro a maschio di diametro "d" e penetrazione np" nella detta estensione assiale "H" tali che d/D sia compreso tra 0,4 e 0,8 e p/H sia compreso tra 0,3 e 0,7.

I dispositivi per la realizzazione del sistema del sistema in oggetto sono caratterizzati da due risuonatori dielettrici compenetranti, aventi dimensioni reciproche e grado di accoppiamento critici.

I diversi aspetti e vantaggi del trovato appariranno meglio dalla descrizione delle forme di realizzazione più immediate rappresentate nei disegni nei quali la fig.4 è una vista schematica parzialmente in sezione (analoga alla fig.l) di una cavità risuanante nel modo TEol particolarmente semplice secondo il trovato, la fig. 4' è una vista in sezione come la fig.4 ma su scala ingrandita per soli risuonatori, le figure 5 e 6 sono curve indicative della variazione del rapporto A FS/FS, cioè della variazione relativa percentuale della frequenza di sintonia Fs, in funzione del rapporto p/H (penetrazione relativa percentuale) (fig.5), rispettivamente del rapporto d/D dove d D è il diametro del risonatore piccolo.

Come si vede dalla fig.4 secondo l'invenzione, la cavità risonante nel modo TEol comporta due risuonatori dielettrici, un primo risuonatore è ora maschio Dm e l'altro è a femmina Df. (Contrariamente alla Fig.l in cui i due risuonatori erano impenetrabili e sempre paralleli, e contrariamente alla Fig.2 in cui il modo TEo1 è escluso).

Vantaggiosamente solo uno dei due dielettrici, ad es.Dm è mobile, cioè spostabile con vite S2, il risuonatore a femmina Df essendo fissato inamovibilmente come si vede meglio dalla fig.4' ad un supporto So. Il primo risuonatore Df (in sezione assiale schematica)è ad U cioè è chiusa ad una estremità o fondo 7, ha un diametro esterno D ed un'altezza H dal fondo 7. Il corpo maschio Dm ha diametro d D, ed una penetrazione "p" in Df, che espressa in termini relativi diventa p/H. Secondo l'aspetto più notevole dell'invenzione si è trovato (in contropposizione agli insegnamenti delle figure 2 e 3) che con una scelta critica dei rapporti d/D e p/H, nel modo TEol non solo è sorprendentemente possibile ottenere le desiderate variazioni di Fs nella banda da 400 a 20.000 meglio 925-970 MHz, ma in più, ed in misura ancor più imprevedibile, ottenervi variazioni di Fs sostanzialmente lineari; con rapporti critici di d/D da 0,4 a 0,8, preferibilmente di 0,6 e di p/H da 0,3 a 0,7 si è riusciti ad avere variazioni lineari di Fs, ciò che corrisponde a variazioni relative in percento Δ Fs/Fs dal 4 a 5% nella banda 925-970 MHz.

Il diagramma di fig.5 riporta le curve Δ Fs/Fs in funzione di p/H (ascisse) per diversi valori del rapporto d/D. In analogia alla fig.3 della tecnica nota, si vede che per d/D=0 e d/D=l (curva I) non si ha alcuna variazione di Δ Fs/Fs, cioè non è possibile sintonizzare la cavità delle figure 4 e 4’ alle frequenze comprese ad es. tra 925 e 970 MHz.

Un rapporto d/0=0 corrisponderebbe ad assenza del risuonatore DM a alla presenza di un'astina TR di sintonia come in fig.2 infinitamente piccola rispetto al diametro dell'unico risuonatore RU. Per contro un rapporto d/D=l corrisponde sostanzialmente al caso in cui non esiste il risonatore femmina.

La curva II si riferisce a rapporti d/D=0,2 o d/D=0,9; in questo caso le variazioni di Δ Fs/Fs non sono significative.

Per contro, e con sorpresa, per d/D=0,4 o 0,8 (curva III) si hanno variazioni di Δ Fs/Fs già vicine al 4-5% mentre per d/D=D,6 (curva IV) si ha un'ampia e decisa variazione di Δ Fs/Fs in un campo leggermente più ampio del 4-5%. Significativamente la variazione di Δ,Fs/Fs per valori p/H compresi da 0,3 a 0,7 e rapporto d/D=0,6 è sostanzialmente lineare.

In fig.G la variazione di 4 Fs/Fs% è riportata in funzione di d/D (per un valore fisso di p/H uguale 0,5): si vede che la variazione Fs/Fs dal 4 al 5% è accentuata e concentrata per d/D tra 0,4 e 0,8, col massimo a 0,6. La linearità del tratto della curva IV in fig.5 (p/H tra 0,3 e 0,7 per d/D=0,6) è estremamente vantaggiosa. In effetti col dispositiva secondo la fig.l è facile variare la Fs in tutta la banda operativa variando la distanza Le tra i due risuonatqri dielettrici. Però la variazione non è lineare su tutta detta banda e dipende dal valore assoluto di Fs.

Questa non linearità è deleteria ai fini della compensazione termica.

Un ulteriore aspetto vantaggioso del trovato si evince da quanto segue.

Se in figura 1 si indica con dmx=2Lc la distanza massima obbligatoria nel risuonatore convenzionale per avere la massima frequenza di sintonia desiderabile, si ha che la lunghezza di detta cavità deve essere Hc=21-2+2Lb+dmx, dove Lg è la distanza minima che le facce (3 risp.4) dei dielettrici devono avere dalle facce interne 5, risp. 5' della cavità metallica CA per non provocare perdite dissipative nel metallo; Lb essendo la lunghezza assiale dei cilindretti DI e D2.

Per contro nella realizzazione secondo l’invenzione è la faccia più larga 7 di Df che deve ancora rispettare la distanza minima L2min dalla faccia 15 della cavità CA, la faccia a diametro molto ridotto "dri" di Dm è ora sostanzialmente ininfluente sulle perdite eventualmente derivabili dalla sua vicinanza alla parete 1G di CA. Ne deriva che per effetto della penetrazione np" di Dm in Df e della mancata necessità di avere come in fig.l una distanza massima dmax=2Lc tra DI e D2, la lunghezza totale H'c del risuonatore secondo, il trovato è al massimo H'c=Hc-dmax.

Tutti i materiali convenzionalmente utilizzati per la cavità metallica e per i dischetti dielettrici si prestano all'impiego nei risuonatori secondo il trovato.

In particolare per la parte metallica si utilizza alluminio e sue leghe, per le parti dielettriche i materiali disponibili in commercio e specialmente quelli riportati ad es. nel catalogo NTK Microwave Dielectric Components pag.2, che si cita di proposito anche perchè a pag.3 riporta immagini di dielettrici del tipo cilindrico, forati centralmente su tutto l'asse (e con una corona di diametro più largo del foro solo su un piccolo tratto assiale). Il foro ha qui lo scopo di prevenire il deterioramento del Q e migliora le risposte spurie. Tutto ciò, non ha niente in comune con lo spirito della presente invenzione.

Per scrupolo di chiarezza illustrativa il trovato è stato descritto con riferimento alle forme di realizzazione più semplici rappresentate nei disegni. Ovviamente l'invenzione non è limitata a queste forme ma è suscettibile di varianti, modifiche, sostituzioni e simili che per essere a portata di mano del tecnico medio del ramo, sono da considerare come ricadenti nell'ambito dello spirito del trovato.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sistema per la sintonizzazione di cavità risonanti in modo TEol contenenti dielettrici, ad alta frequenza, in particolare di risonatori funzionanti in un'ampia gamma di frequenza ad es. da 400 a 20.000 preferibilmente da 920 a 970 MHz, nel quale sistema la frequenza di sintonia è sostanzialmente ottenuta variando l'accoppiamento fra un risonatore dielettrico ed un corpo dielettrico, caratterizzato dal fatto che per ottenere la massima linearità tra frequenza di sintonia voluta ed accoppiamento dei dielettrici, per compensare la dilatazione termica dell'involucro metallico in maniera sostanzialmente costante a tutte le frequenze di sintonia, e per ridurre ulteriormente la miniaturizzazione, variazioni del 4-5% della frequenza di sintonia Fs nella detta banda da 400 a 20.000 MHz nella cavità risonante con modo TEol sono'ottenuti con due corpi dielettrici entrambi risonatori, uno maschio di diametro "d" ed uno femmina di diametro D d ed una profondità H a partire dal fondo chiuso, il risonatore maschio presentando una penetrazione h su H tale che h/H sia compreso tra 0,3 e 0,7, d/D essendo compreso tra 0,4 e 0,8.
2. 2) Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che si tiene fermo il risonatore con dimensioni maggioritarie e al suo interno si fà scorrere il risonatore a dimensioni minoritarie.
3. 3) Risuonatore dielettrico per la realizzazione del sistema secondo le rivendicazioni precedenti, comportante una cavità metallica ad elevato coefficiente di dilatazione termica, due corpi dielettrici ad alta costante dielettrica all'interno della cavità, viti di sintonia per la spostamento del (i) dielettrico (i), caratterizzato da un primo risuonatore dielettrico a femmina di diametro esterno D, ed altezza H a partire dal fondo chiuso, ed un risuonatore a maschio che ha diametro "d" tale che d/D sia compresa tra 0,4 e 0,8, ed è impegnato col primo risonatore per un tratto h tale che h/H sia compreso fra 0,3 e 0,7.
4. 4) Risuonatore secondo la rivendicazione 3, in cui il primo risuonatore a femmina è sostanzialmente un tratto cilindrico concavo, con sezione a forma di U ed è portato inamovibilmente da un supporto interno alla cavità.
5. 5) Risuonatore secondo le rivendicazioni 3 e 4, in cui il secondo risuonatore a maschio è cilindrico ed ha diametro esterno "d" sostanzialmente uguale al diametro interno della parete cava del risuonatore a femmina, aperto ad un'estremità e chiuso sul fondo.
6. 6) Risuonatore secondo la rivendicazione 3 o 5, in cui il supporto d/D è criticamente uguale a 0,6.
7. 7) Sistema e risuonatori sostanzialmente secondo quanto descritto e rappresentato.