WO1996006467A1

WO1996006467A1 - Resonator

Info

Publication number: WO1996006467A1
Application number: PCT/EP1995/003279
Authority: WO
Inventors: Heinz Chaloupka
Original assignee: Cryoelectra Gesellschaft Für Kryoelectrische Produkte Mbh
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1995-08-17
Publication date: 1996-02-29
Also published as: AU3385695A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Resonator, vorzugsweise Scheibenresonator, mit zwei vertikal übereinander angeordneten, durch eine Isolationsschicht (3) voneinander getrennten elektrisch leitfähigen Schichten (2, 4) aus einem supraleitfähigen, insbesondere hochtemperatursupraleitfähigen Werkstoff, wobei eine elektrisch leitfähige Schicht (2, 4) einen durch eine umlaufende Randkante (R) begrenzten Grundriß aufweist und bei Beaufschlagung des Resonators mit einer vorgewählten Resonanzfrequenz sich in einer der beiden Schichten (2, 4) Stromlinien eines elektrischen Stromes ausbilden. Um einen solchen Resonator für eine möglichst hohe Leistung geeignet auszubilden, schlägt die Erfindung vor, daß die Geometrie, insbesondere der Grundriß der einen leitfähigen Schicht (2) (strukturierte Schicht) so gewählt ist, daß sich bei der Resonanzfrequenz in der strukturierten Schicht (2) im wesentlichen nur die Randkante (R) (in einer gedachten Verlängerung) schneidende Stromlinien (S) einstellen.

Description

00001 Resonator 00002

00003 Die Erfindung betrifft einen Resonator, vorzugsweise

00004 einen Scheibenresonator, mit zwei vertikal übereinander

00005 angeordneten, durch eine Isolationsschicht voneinander

00006 getrennten elektrisch leitfähigen Schichten aus einem

00007 supraleitfähigen, insbesondere hochtemperatursupraleitfä-

00008 higen Werkstoff, wobei eine der elektrisch leitfähigen

00009 Schichten einen durch eine umlaufende Randkante begrenz-

00010 ten Grundriß aufweist und bei Beaufschlagung des Resona-

00011 tors mit einer vorgewählten Resonanzfrequenz sich auf-

00012 grund elektromagnetischer Schwingungen in dem Resonator

00013 in einer der Schichten Stromlinien eines elektrischen

00014 Stromes ausbilden. 00015

00016 Derartige Resonatoren und mittels solcher Resonatoren im

00017 weiteren gebildete Bandpaßfilter bilden wichtige Bauele-

00018 mente von Hochfrequenzsystemen der Kommunikations- und

00019 Radartechnik. So werden einzelne Resonatoren z. B. einge-

00020 setzt um Oszillatoren zu stabilisieren, d. h. um uner-

00021 wünschte schnelle Frequenzschwankungen zu reduzieren.

00022 Unter Verwendung mehrerer gekoppelter Resonatoren können

00023 Bandpaßfilter realisiert werden. Sie dienen als frequenz-

00024 abhängige Zweitore zur Trennung und Kombination von

00025 Signalen unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung.

00026 Von den vielen möglichen Einsatzfeldern von Bandpaßfil-

00027 tern sind beispielhaft Empfangsfilter zur Frequenzvorse-

00028 lektion und Senderkombinationsfilter in Mobilfunk-Basis-

00029 Stationen und Frequenzmultiplexer und Demultiplexer in

00030 Nachrichtensatelliten zu nennen. 00031

00032 Besondere hohe Anforderungen an die Ausführung von sol-

00033 chen Resonatoren und insbesondere hieraus zusaπunengesetz-

00034 ten Bandpaßfiltern ergeben sich, wenn der Frequenzab-

00035 stand benachbarter Kanäle "sehr klein" ist, z. B. klei- 00036 ner als 1 % der Bandmittenfrequenz. Dies erfordert eine

00037 kleine relative Bandbreite und hohe Flankensteilheit der

00038 Filter bei gleichzeitig niedriger Einfügungsdämpfung in

00039 Bandmitte. Zur Realisierung der Filterfunktion muß in

00040 den Resonatoren des Filters eine elektromagnetische

00041 Feldenergie gespeichert werden, deren Betrag proportio-

00042 nal zur eingespeisten Leistung ist und um so höher sein

00043 muß, je höher die verlangte Flankensteilheit ist. Mit

00044 der Speicherung der Feldenergie in den Resonatoren des

00045 Filters kommt es zu Verlusten, also zur Umsetzung elek-

00046 tromagnetischer Energie in Wärmeenergie. Die durch Lei-

00047 terverluste, dielektrische Verluste und sonstigen Verlu-

00048 ste verursachten Gesamtverluste in einem Resonator wer-

00049 den durch seine sogenannte Leerlaufgüte charakterisiert,

00050 welche das Verhältnis der mittleren gespeicherten Ener-

00051 gie zur Verlustenergie pro Zeitperiode angibt. Je höher

00052 die verlangte Flankensteilheit der Filter ist, um so

00053 höher muß die Leerlaufgüte der verwendeten Resonatoren

00054 sein, um die unerwünschte Einfügungsdämpfung in Bandmit-

00055 te hinreichend niedrig zu halten. 00056

00057 Filter, welche solch hohen Ansprüchen genügen, können

00058 bspw. aus Hohlraumresonatoren aufgebaut werden, welche

00059 jedoch sehr große Abmessungen aufweisen. So besitzt z.

00060 B. ein typischer einzelner Hohlraumresonator

-Reso-

00061 nanz) für 900 MHz mit einer Leerlaufgüte von QL ca.

00062 18000, wie sie für die Senderfilter einer Mobilfunk-Ba-

00063 sisstation gefordert wird, eine Abmessung von ca. 23 x

00064 23 x 10 cm . Wegen der hohen Anzahl der benötigten Reso-

00065 natoren führt dies zu sehr voluminösen Baugruppen. Eine

00066 Möglichkeit zur Reduktion des Volumens besteht im Ein-

00067 satz von dielektrischen Resonatoren. Damit läßt sich das

00068 oben erwähnte Filter inklusive des erforderlichen Metall-

00069 gehäuses typischerweise auf eine Größenordnung von ca.

00070 10 x 10 x 10 c ³ verkleinern. Eine noch stärkere Minia- 00071 turisierung kann erzielt werden, wenn planare Resonato-

00072 ren in Mikrostreifenleitungstechnik, Streifenleitungs-

00073 technik oder Koplanartechnik eingesetzt werden. Mikro-

00074 streifenleitungsresonatoren bestehen typischerweise aus

00075 einer Isolationsschicht als Grundsubstrat mit einer

00076 Dielektrizitätszahl Epsilon_r im Bereich von etwa 2 bis

00077 25 und einer Dicke im Bereich von ca. 1/1000 bis 1/50

00078 der Freiraumwellenlänge. Auf diese Isolationsschicht ist

00079 auf einer Seite ein elektrischer Leiter definierter Form

00080 und Größe (strukturierter Leiter), das sogenannte

00081 "Patch" aufgebracht, während die andere Seite einen

00082 unstrukturierten elektrischen Leiter, den sogenannten

00083 Grundleiter, aufweist. Um für eine vorgegebene Frequenz

00084 Resonanz zu erzielen, muß eine charakteristische Grund-

00085 rißform, eine lineare Abmessung L des strukturierten

00086 Leiters je nach Schwingungstyp und gewählter Dielektrizi-

00087 tätszahl des Substrats in einem bestimmten Verhältnis

00088 zur Freiraumwellenlänge stehen. Die Freiraumwellenlänge

00089 wird nach der Formel ₀ I cm = 30/(fn/GHz) bestimmt.

00090 Für die Grundschwingungen beträgt die lineare Abmessung

00091 L bei Epsilon_r ca. 2 etwa f-1,/3 und für Epsilon_r ca. 25

00092 etwa λ_t)/12. 00093

00094 Bei diesen planaren Strukturen sind bei Verwendung nor-

00095 malleitender Materialien wie Kupfer oder Gold im Fre-

00096 quenzbereich von ca. 500 MHz bis 15 GHz aufgrund der

00097 Leiterverluste nur Leerlaufguten Q_L im Bereich von ca.

00098 200 bis 1000 erzielbar. Damit können miniaturisierte

00099 Filter aus planaren Strukturen mit Normalleitern nur im

00100 Fall geringer Anforderung an die Flankensteilheit oder

00101 bei Tolerierung einer relativ hohen verlustbedingten

00102 Einfügungsdämpfung in Bandmitte eingesetzt werden. 00103

00104 Heute verfügbare, epitaktisch auf einkristallinem Sub-

00105 strat aufgewachsene Dünnfilme aus Hochtemperatursupralei- 00106 termaterial, wie z. B. YBa2Cu3θ7d (kurz: YBCO) oder

00107 TBCCO weisen im Bereich von 500 MHz bis 15 GHz bei der

00108 Temperatur des flüssigen Stickstoffs (77K) um einen

00109 Faktor 8000 (bei ca, 500 MHz) bis 80 (bei ca. 15 GHz)

00110 geringere Leitungsverluste als Normalleiter bei Raumtem-

00111 peratur auf und weitere Abkühlung zu noch niedrigeren

00112 Temperaturen führt zu einer weiteren Verringerung dieser

00113 Verluste. Damit können durch Verwendung von Hochtempera-

00114 tursupraleitern anstelle von Normalleitern miniatur-

00115 isierte Filter aus planaren Strukturen mit sehr hoher

00116 Flankensteilheit und geringer Dämpfung in Bandmitte

00117 realisiert werden. 00118

00119 Dem Vorteil der geringen Leistungsverluste stehen jedoch

00120 bei supraleitenden Filterstrukturen bei hoher Stromdich-

00121 te spezifische nichtlineare Effekte gegenüber, welche

00122 dazu führen, daß bislang solche Filterstrukturen nur bei

00123 kleinen Leistungen im Bereich unterhalb von etwa 100 mW

00124 geeignet sind. 00125

00126 Im Hinblick auf diesen Stand der Technik stellt sich der

00127 Erfindung das technische Problem, einen Resonator mit

00128 elektrisch leitfähigen Schichten aus einem supraleitfä-

00129 higen Werkstoff anzugeben, welcher für eine möglichst

00130 hohe elektrische Leistung geeignet ist. 00131

00132 Diese technische Problematik ist beim Gegenstand des

00133 Anspruches 1 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, daß

00134 die Geometrie, insbesondere der Grundriß der einen

00135 leitfähigen Schicht (strukturierte Schicht) so gewählt

00136 ist, daß sich bei der Resonanzfrequenz in der struktu-

00137 rierten Schicht im wesentlichen nur die Randkante (in

00138 einer gedachten Verlängerung) schneidende Stromlinien

00139 einstellen. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß bei

00140 einem solchen Resonator Stromlinien, welche auf die 00141 Randkante zu gerichtet sind, zu einer großen Verringe-

00142 rung der Verluste führen. Weiter ist erkannt worden, daß 00143 bei einer gegebenen Resonanzfrequenz eine Geometrie für

00144 einen solchen Resonator gefunden werden kann, welche zu

00145 einem für eine solche Ausrichtung bzw. einen solchen

00146 Verlauf der Stromlinien maßgebenden Schwingungstyp

00147 führt. Ausschlaggebend sind hierfür die geometrischen

00148 Parameter und hierbei wiederum insbesondere der Grundriß

00149 der strukturierten Schicht. Ein kreisförmiger Grundriß

00150 hat sich als besonders geeignet erwiesen. Wesentlich

00151 ist, daß wegen des Fehlens von parallel zur Randkante

00152 der strukturierten Schicht verlaufenden Stromlinien

00153 keine kantenbedingte Stromdichtenüberhöhung auftritt.

00154 Gegenüber bekannten Scheibenresonatoren bzw. planaren

00155 Resonatoren, deren strukturierte Schichten eine etwa

00156 gleiche Grundfläche aufweisen, jedoch andere Schwingungs-

00157 typen nutzen sowie hinsichtlich der Dicke der Isolations-

00158 schicht und der Dielektrizitätszahl der Isolations-

00159 schicht übereinstimmen, ergibt sich bei einem erfindungs-

00160 gemäßen Resonator für eine gegebene gespeicherte elektro-

00161 magnetische Feldenergie eine maximale Stromdichte, die

00162 etwa um den Faktor 10 kleiner ist. Da bei einem derarti-

00163 gen Resonator bei einer gegebenen supraleitenden oder

00164 hochtemperatursupraleitenden strukturierten Schicht bei

00165 gegebener Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur ein

00166 Grenzwert der Stromdichte nicht überschritten werden

00167 kann, ohne daß die supraleitenden Eigenschaften stark

00168 abfallen, ergibt sich für den hier vorgeschlagenen Reso-

00169 nator ein im Vergleich zu bekannten Resonatoren etwa um

00170 den Faktor 100 höheres Energiespeicherungsvermögen. Die

00171 Erfindung stellt mithin Mikrowellenresonatoren und -fil-

00172 ter hoher Leistungsbelastbarkeit aus Hochtemperatursupra-

00173 leitern zur Verfügung. Es läßt sich bei der bevorzugten

00174 kreisförmigen Geometrie der strukturierten Schicht eine

00175 rein radial verlaufende Stromdichte erzielen. Die Strom- 00176 linien sind somit genau senkrecht zur kreisförmigen

00177 Randkante gerichtet. Im einzelnen kann ein kleinster

00178 Durchmesser der leitfähigen Schicht nach der Formel 00179

00180 D/cm £ 36,6/ { -/£. - fn GHz)

00181

00182 bestimmt werden, wobei D der gesuchte Durchmesser in

00183 Zentimeter, Epsilon_r die Dielektrizitätskonstante der

00184 Isolationsschicht, f₀ die Resonanzfrequenz in GHz und

00185 die Zahl 36,6 eine gefundene Konstante ist. Auf der

00186 anderen Seite des Isolators, gegenüberliegend zu der

00187 strukturierten Schicht ist eine weitere leitfähige

00188 Schicht angeordnet, die jedoch nicht in bestimmter Weise

00189 (hinsichtlich ihres Grundrisses) ausgebildet sein muß.

00190 Hier spricht man auch von einer unstrukturierten

00191 Schicht. Geeigneterweise erstreckt sich die unstrukturie-

00192 rte Schicht über die gesamte zugeordnete Fläche der

00193 Isolationsschicht, während auf der Seite der strukturier-

00194 ten Schicht ein Teil der Isolationsschicht, jenseits der

00195 Randkante der strukturierten Schicht, frei liegt. Der

00196 Gesamtgrundriß des Resonators kann bspw. quadratisch

00197 sein. In einer weiteren Ausgestaltung kann auch vorgese-

00198 hen sein, daß der Grundriß der strukturierten Schicht im

00199 wesentlichen kreisringförmig ist. Um bei einer vorgegebe-

00200 nen Frequenz eine Resonanz mit einem Schwingungsbild mit

00201 radialen Stromlinien zu erhalten, müssen die Maße des

00202 Gesamtdurchmessers, d. h. des größten Durchmessers und

00203 die Breite eines Kreisringes geeignet gewählt werden. In

00204 grober Näherung kann die Breite eines Kreisringes nach

00205 folgender Formel bestimmt werden: 00206

00207 B S (15 bis 18 ) / (T»£ ^* f_υ/GHz).

00208

00209 Im Resonanzfall ist auch bei einem solchen Resonator

00210 analog zu dem zuvor beschriebenen Resonator die Strom- 00211 dichte am inneren Rand des Kreisringes und am äußeren

00212 Rand des Kreisringes, also bei einem Radius von D/2

00213 minus B und einem Radius von D/2 gleich Null und nimmt

00214 dazwischen, bei einem Radius von etwa D/2 minus B/2 ein

00215 Maximum an. Der weiter oben erläuterte Resonator mit

00216 kreisförmigen Grundriß der strukturierten Schicht kann

00217 für eine gegebene Frequenz kleiner ausgebildet werden

00218 als der Resonator mit kreisringförmigem Grundriß der

00219 strukturierten Schicht. Gleichwohl kann aber der Resona-

00220 tor mit kreisringförmigem Grundriß der strukturierten

00221 Schicht in Einzelfällen von Vorteil sein. In weiterer

00222 Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, daß zwei struk-

00223 turierte Schichten in unmittelbarer Übereinanderlage

00224 angeordnet sind und daß beide strukturierten Schichten

00225 auf ihren aufeinander abgewandten Breitseiten eine Isola-

00226 tionsschicht aufweisen, welche ihrerseits auf ihren

00227 einander abgewandten Breitseiten eine unstrukturierte

00228 Schicht aufweisen. Diese Anordnung ergibt sich in einfa-

00229 eher Weise bspw. , wenn zwei Resonatoren, wie sie weiter

00230 oben beschrieben sind, mit ihren strukturierten Schich-

00231 ten flächig aufeinandergelegt werden, und zwar in einer

00232 Weise, daß ihre geometrischen Mittelachsen zusammenfal-

00233 len. Ein Abstand der Isolationsschichten auf ihren einan-

00234 der zugewandten Breitseiten entspricht bei einer solchen 00235 Anordnung etwa der zusammengefaßten Dicke der struktu-

00236 rierten Schichten zweier einzelner Resonatoren wie sie

00237 weiter oben beschrieben sind. In weiterer Ausgestaltung

00238 schlägt die Erfindung vor, daß zur Realisierung eines

00239 Bandpaßfilters eine Mehrzahl von Resonatoren in einer

00240 der zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit jeweils

00241 einer strukturierten und einer unstrukturierten leitfähi-

00242 gen Schicht vertikal übereinander angeordnet sind und 00243 eine Kopplung der Resonatoren durch fensterartige Aus-

00244 nehmungen einer leitfähigen Schicht, bevorzugt der

00245 unstrukturierten Schicht, des Resonators erreicht ist. 00246 Eine fensterartige Ausnehmung bedeutet hier, daß die 00247 Ausnehmung der leitfähigen Schicht tiefenmäßig durch die

00248 Isolationsschicht begrenzt ist. Die Isolationsschicht

00249 verläuft also auch im Bereich der Ausnehmung in der

00250 leitfähigen Schicht durchgehend und im wesentlichen

00251 unbeeinflußt. Sie bildet den Boden der fensterartigen

00252 Ausnehmung. Eine solche Ausnehmung kann kreisförmig oder

00253 kreisringförmig gestaltet sein. Insbesondere läßt sich

00254 die gewünschte Kopplung der Resonatoren untereinander

00255 dadurch erreichen, daß bei einer kreisförmigen Ausnehm-

00256 ung in einem Resonator die beiden vertikal benachbarten

00257 Resonatoren kreisringförmige Ausnehmungen aufweisen und

00258 umgekehrt. Eine Koppelstärke der Resonatoren ist durch

00259 die Abmessungen der kreisförmigen bzw. kreisringförmigen

00260 Ausnehmungen einstellbar. Die kreisringförmige Ausnehm- 00261 ung wie auch die kreisförmige Ausnehmung weist bevorzugt

00262 einen Mittelpunkt auf, welcher mit dem Mittelpunkt bzw.

00263 einer geometrischen Mittelachse des Resonators insgesamt

00264 zusammenfällt. Im weiteren befinden sich die so zusammen-

00265 gekoppelten Resonatoren insgesamt in einem elektrisch

00266 normalleitenden Gehäuse, das evakuiert ist. Es ist auch

00267 möglich, um eine weitere Vergrößerung der Flankensteil-

00268 heit der Filter und eine Erhöhung der Dämpfung im Sperr-

00269 bereich zu erhalten, "Nullstellen" der Übertragungsfunk-

00270 tion bei endlichen Frequenzen einzufügen. Hierzu schlägt

00271 die Erfindung vor, daß eine Mehrzahl von Resonatoren

00272 vertikal und horizontal nebeneinander angeordnet sind,

00273 daß jeweils die vertikal übereinander angeordneten Reso-

00274 natoren in einem gemeinsamen, evakuierten Gehäuse ange-

00275 ordnet sind, die horizontal benachbarten Resonatoren

00276 jedoch durch eine gemeinsame Gehäusewand voneinander

00277 getrennt sind und die gemeinsame Gehäusewand von elek-

00278 trisch leitfähigen Kopplungselementen durchsetzt ist.

00279 Hierbei empfiehlt es sich insbesondere, daß die Kopp-

00280 lungsele ente in vertikaler Beabstandung zwischen zwei 00281 horizontal benachbarten Resonatoren angeordnet sind. Die

00282 Kopplungselemente befinden sich zwischen nicht unmittel-

00283 bar benachbarten Resonatoren. Neben der Kopplung verti-

00284 kal benachbarter Resonatoren ist hierbei also auch eine

00285 Kopplung horizontal benachbarter, jedoch durch eine

00286 Gehäusewand getrennter Resonatoren verwirklicht. Im

00287 einzelnen ist auch bevorzugt, daß die horizontal benach-

00288 barten Resonatoren höhenmäßig gleich, also einer selben

00289 horizontalen Ebene zugeordnet, angeordnet sind. 00290

00291 Nachstehend ist die Erfindung des weiteren anhand der

00292 beigefügten Zeichnung, welche jedoch lediglich Ausfüh-

00293 rungsbeispiele darstellt, erläutert. Hierbei zeigt: 00294

00295 Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Resonator mit

00296 kreisförmiger strukturierter elektrisch leitfä-

00297 higer Schicht; 00298

00299 Fig. 2 eine Draufsicht auf den Resonator gemäß Fig. 00300 1, mit angedeutetem Stromlinienverlauf;

00301

00302 Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Resonator einer

00303 weiteren Ausführungsform, mit kreisringförmi-

00304 ger strukturierter elektrisch leitfähiger

00305 Schicht; 00306

00307 Fig. 4 eine Draufsicht auf den Resonator gemäß Fig.

00308 3, mit angedeutetem Stromlinienverlauf; 00309

00310 Fig. 5 einen Querschnitt gemäß Fig. 1 durch einen

00311 Resonator dritter Ausführungsform; 00312

00313 Fig. 6 einen Längsschnitt durch den Gegenstand gemäß

00314 Fig. 5, geschnitten entlang der Linie VI-VI; 00315 00316 Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Bandpaßfilter

00317 mit in einem Gehäuse vertikal übereinander

00318 angeordneten Resonatoren; 00319

00320 Fig. 8 einen Querschnitt durch den Gegenstand gemäß

00321 Fig. 7, geschnitten entlang der Linie VIII-

00322 VIII; 00323

00324 Fig. 9 ein Ersatzschaltbild des Bandpaßfilters gemäß

00325 den Fig. 7 und 8; 00326

00327 Fig. 10 einen Querschnitt durch einen Bandpaßfilter

00328 mit horizontaler Nebeneinanderanordnung und

00329 vertikaler Übereinanderanordnung von Resonato-

00330 ren. 00331

00332 Dargestellt und beschrieben ist zunächst mit Bezug zu

00333 Fig. 1 ein Resonator 1 mit einer Isolationsschicht 3,

00334 einer oberen strukturierten leitfähigen Schicht 2 und

00335 einer unteren nicht strukturierten leitfähigen Schicht

00336 4. Der Resonator 1 weist eine Gesamtdicke d von ca. 0,3

00337 bis 2 nun auf. Die obere leitfähige, strukturierte

00338 Schicht 2 besitzt eine Dicke dl von ca. 0,5 bis 1 μm und

00339 die untere leitfähige Schicht 4 etwa eine gleiche Dicke

00340 wie die Schicht 2. 00341

00342 Die Isolationsschicht 3 besteht aus einem einkristalli- 00343 nen Substrat mit einer hohen Dielektrizitätszahl Epsi-

00344 Ion _r. Beim Ausführungsbeispiel besteht die Isolations-

00345 schicht 3 aus dem Werkstoff Lanthanaluminat mit einer

00346 Dielektrizitätszahl Epsilon_r= 24. 00347

00348 Wesentlich ist, daß die strukturierte Schicht 2, wie

00349 insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, einen kreisför-

00350 migen Grundriß mit einem Durchmesser D aufweist. Der 00351 Durchmesser D ist im Hinblick auf eine gewünschte Reso-

00352 nanzfrequenz derart gewählt, daß sich in dem Resonator 1

00353 ein - elektromagnetischer - Schwingungstypus einstellt,

00354 der zu den radial verlaufenden Stromlinien S führt, wie

00355 dies in Fig. 2 angedeutet ist. Eine Stromlinie S schnei-

00356 det in einer gedachten Verlängerung die Randkante R in

00357 dem Punkt P. Beim Ausführungsbeispiel ist der Schnittwin-

00358 kel bezogen auf eine Tangente an die Randkante R in dem

00359 Punkt P ein rechter Winkel. Der hochfrequente elektri-

00360 sehe Wechselstrom, um den es sich speziell handelt,

00361 fließt im einzelnen hauptsächlich auf der Seite der

00362 strukturierten Schicht 2, welche der Isolationsschicht 3

00363 zugewandt ist, und zwar auch nur in einer Teilschicht

00364 der Dicke von 0,25 bis 0,35 μm. Im übrigen verläuft ent-

00365 sprechend bei dem Ausführungsbeispiel auch die Stromdich-

00366 te radial, und zwar im einzelnen so, daß ausgehend von

00367 einer Stromdichte Null im Mittelpunkt M eine maximale

00368 Stromdichte bei einem Radius D/4 erreicht wird und an

00369 dem Rand R der strukturierten Schicht 2 die Stromdichte

00370 wieder auf Null abfällt. Die untere, nicht strukturierte

00371 leifähige Schicht 4 ist an den Gesamtgrundriß des Resona-

00372 tors 1, der beim Ausführungsbeispiel gleichfalls kreis-

00373 förmig ist, angepaßt und stimmt in ihrem Grundriß im

00374 wesentlichen mit dem Grundriß der Isolationsschicht 3

00375 überein. Der Rand R' ist zugleich der Rand des Resona-

00376 tors 1 insgesamt. 00377

00378 In den Fig. 3 und 4 ist eine weitere Ausführungsform des

00379 Resonators dargestellt, wobei die strukturierte Schicht

00380 2 kreisringförmig gestaltet ist. Der Resonator 1 gemäß

00381 den Fig. 3 und 4 besitzt in gleicher Weise einen (größ-

00382 ten) Durchmesser D. Darüber hinaus ist bei dieser Ausfüh-

00383 rungsform die Breite B, die Breite des Kreisringes,

00384 wesentlich. Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, stellen sie bei

00385 dieser Geometrie der strukturierten Schicht 2 radial 00386 verlaufende Stromlinien S ein, welche - in einer gedach-

00387 ten Verlängerung - sowohl den (äußeren) Rand R wie den -

00388 inneren - Rand r. Wie in Fig. 2 bzgl . des Randes R erläu-

00389 tert, schneiden auch bei der Ausführungsform der Fig. 3

00390 und 4 die Stromlinien S sowohl den äußeren Rand R wie

00391 den inneren Rand r in einem rechten Winkel zu einer an

00392 den Schnittpunkt angelegten Tangente. 00393

00394 Bei der Ausführungsform der Fig. 5 ist der Resonator 5

00395 derart sandwichartig aufgebaut, daß sich bezüglich einer

00396 Längsmittelebene E durch die strukturierte leitfähige

00397 Schicht 2 ein symmetrischer Aufbau ergibt. Dies bedeu-

00398 tet, daß oberhalb und unterhalb der strukturierten

00399 Schicht 2, auf deren einander abgewandten Breitseiten,

00400 eine Isolationsschicht 3 angeordnet ist und jeweils auf

00401 den Außenseiten der gleichfalls den einander abgewandten

00402 Breitseiten der Isolationsschicht 3 weiterhin eine

00403 unstrukturierte elektrisch leitfähige Schicht 4 angeord-

00404 net ist. Der Resonator 5 kann also in einfacher Weise

00405 aus zwei Resonatoren 1 gemäß den Fig. 1 bzw. 2 zusammen-

00406 gesetzt werden. Die strukturierte leitfähige Schicht 2

00407 des Resonators 5 gemäß Fig. 5 kann entsprechend auch

00408 eine doppelte Dicke aufweisen im Vergleich zu der Dicke

00409 dl der strukturierten leitfähigen Schicht 2 des Resona-

00410 tors 1 gemäß den Fig. 1 bzw. 2. 00411

00412 Aus der Schnittdarstellung der Fig. 6, bei welcher die

00413 Schnittebene mit der erwähnten Längsmittelebene E zusam-

00414 menfällt, ist wieder ersichtlich, daß auch hier die

00415 Stromlinien in der strukturierten leitfähigen Schicht 2

00416 radial nach außen verlaufen. In einer gedachten Verlänge-

00417 rung schneiden sie in gleicher Weise wie vorstehend in

00418 bezug zu Fig. 2 erläutert, die Randkante R. 00419 00420 Bei dem Resonator 5 der Fig. 5 und 6 handelt es sich um

00421 einen Streifenleitungsresonator, während es sich bei dem

00422 Resonator 1 der Fig. 1 und 2 um einen Mikrostreifenlei-

00423 tungsresonator handelt. Wenn man, wie üblich, die Resona-

00424 toren 1 bzw. 5 in ein evakuiertes normalleitendes Gehäu-

00425 se einbringt, ist der Resonator 5 mit dem Vorteil verbun-

00426 den, daß er die Entkopplung der erwünschten Scheibenreso-

00427 nator-Resonanz von der unerwünschten Gehäuseresonanz

00428 erleichtert. 00429

00430 Das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 und 8 zeigt die Zusa -

00431 menschaltung mehrerer Resonatoren 1 bzw. 5 zu einem

00432 Bandpaßfilter. Die Resonatoren 6, 7, 8 und 9 sind in

00433 vertikaler Übereinanderanordnung in einem Gehäuse 10 00434 aufgenommen, das aus einem normalleitenden Werkstoff

00435 besteht. Bspw. kann dies ein metallischer Werkstoff wie

00436 etwa Messing oder Aluminium sein. Das Gehäuse 10 ist

00437 evakuiert, wozu noch gesonderte Evakuierungsöffnungen

00438 vorgesehen sind, die aber in der Zeichnung nicht darge- 00439 stellt sind. Weiter ist eine Gehäusewandung 11 von An-

00440 Schlüssen 12, 13 durchsetzt, um eine Kopplung nach

00441 außen zu erreichen. Die kreisförmigen Resonatoren 6 bis

00442 8 sind jeweils randseitig in dem gleicherweise einen 00443 kreisförmigen Grundriß aufweisenden Gehäuse bzw. einer

00444 Gehäusewandung 11 eingefaßt. Hierbei ist auch die untere

00445 nicht strukturierte leitfähige Schicht 3 jeweils in der

00446 Gehäusewandung 11 eingefaßt, während der Rand R der

00447 strukturierten leitfähigen Schicht 2 in einem Abstand A

00448 zu einer Innenfläche 14 der Gehäusewand 11 angeordnet

00449 ist. Die Resonatoren 6 bis 9 besitzen jeweils einen

00450 gleichen kreisförmigen Grundriß und sind mit ihren Mit-

00451 telpunkten an einer geometrischen Mittelachse 15, welche

00452 auch mit einer Mittelachse des Gehäuses 10 überein-

00453 stimmt, ausgerichtet. 00454 00455 Wesentlich ist hierbei, daß in der nicht strukturierten

00456 leitfähigen Schicht 4 fensterartige Ausnehmungen 16, 17

00457 ausgebildet sind, welche die elektromagnetische Kopplung

00458 der Resonatoren ermöglichen. Die Ausnehmungen 16 bzw. 17

00459 sind Bereiche, in welchen die nicht strukturierte elek-

00460 trisch leitfähige Schicht 4 vollkommen fehlt. 00461

00462 Während in dem Resonator 6 eine kreisförmige Ausnehmung

00463 16 ausgebildet ist, ist in dem Resonator 7 eine kreis-

00464 ringförmige Ausnehmung 17 ausgebildet und in dem Resona-

00465 tor 8 wiederum eine kreisförmige Ausnehmung 16. In dem

00466 Resonator 9 ist keine Ausnehmung ausgebildet. Die Ab-

00467 wechslung zwischen kreisförmigen und kreisringförmigen

00468 Ausnehmungen der jeweils vertikal benachbarten Resonato-

00469 ren ist eine mögliche Ausführungsform. Darüber hinaus

00470 können auch nur kreisförmige oder nur kreisringförmige

00471 Ausnehmungen jeweils ausgebildet sein. 00472

00473 Aus der Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 8 ist wieder

00474 der kreisförmige Grundriß der strukturierten leitfähigen

00475 Schicht 2 ersichtlich. 00476

00477 Das Schwingungsverhalten des Bandpaßfilters gemäß den

00478 Fig. 7 bzw. 8 kann auch durch das Ersatzschaltbild gemäß

00479 Fig. 9 wiedergegeben werden. Der vertikale Abstand be-

00480 nachbarter Mikrostreifenleitungsresonatoren und der er- 00481 wähnte Abstand A von den normalleitenden Wänden des

00482 Gehäuses 10 ist so gewählt, daß die Ankopplung an Gehäu-

00483 seresonanzen minimiert und damit der Einfluß von Lei-

00484 tungsverlusten in den normalleitenden Wänden des Gehäu-

00485 ses 10 auf die Güte der Resonatoren so klein wie möglich

00486 gehalten ist. 00487

00488 In Fig. 10 ist ein Bandpaßfilter mit Nullstellen der

00489 Übertragungsfunktion dargestellt, welcher sich zunächst 00490 grundsätzlich aus zwei Gehäusen 10 gemäß Fig. 9 bzw.

00491 Fig. 8 zusammensetzt. Es ergibt sich ein Bandpaßfilter

00492 mit elliptischer Charakteristik durch parallele Verkopp-

00493 lung eines Paars von gestapelten Mikrostreifenleitungsre-

00494 sonatoren. 00495

00496 Zusätzlich zu der Struktur eines Bandpaßfilters gemäß

00497 den Fig. 7 und 8 ist bei dem Bandpaßfilter der Fig. 10

00498 zwischen den beiden Gehäusen 10', 10' ' eine gemeinsame

00499 Mittelwand 18 ausgebildet, welche von Kopplungselementen

00500 19 durchsetzt ist. Die Kopplungselemente 19 sind elek-

00501 trisch leitfähige Elemente. Weiter ist von Bedeutung,

00502 daß die Kopplungselemente 19 vertikal versetzt zu zwei

00503 nebeneinander angeordneten Resonatoren 20, 21 angeordnet

00504 sind. Die Kopplungselemente 19 befinden sich in vertika-

00505 1er Hinsicht zwischen zwei Resonatoren 20, 22, bzw. 21,

00506 23. Auch befinden sich teilweilse, wie aus der Zeichnung

00507 konkret ersichtlich, aufgrund der Durchsetzung der Mit-

00508 telwand 18, eine Kopplungselemente 19 zwischen den Rand-

00509 bereichen von jeweils vier Resonatoren 20, 21, 22, 23,

00510 von denen jeweils zwei gemeinsam in einem Gehäuse

00511 10'bzw. 10' ' untergebracht sind. Jedenfalls befindet

00512 sich ein Kopplungselement 19 immer oberhalb der Randbe-

00513 reiche von zwei horizontal benachbarten Resonatoren

00514 (z.B. 20, 21, oder 22, 23). Darüber hinaus sind die

00515 Anschlüsse 12 bzw. 13 in dem einen bzw. dem anderen

00516 Gehäuse vorgesehen. Beide Gehäuse 10', 10' ' sind jeweils

00517 für sich evakuiert. 00518

00519 Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und

00520 den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können

00521 sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für

00522 die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein.

00523 Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich. In

00524 die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der 00525 Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Priori-

00526 tätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhalt-

00527 lieh mit einbezogen.

Claims

00528 Ansprüche 00529

00530 1. Resonator, vorzugsweise Scheibenresonator, mit zwei

00531 vertikal übereinander angeordneten, durch eine Isolati-

00532 onsschicht (3) voneinander getrennten elektrisch leitfä-

00533 higen Schichten (2, 4) aus einem supraleitfähigen, insbe-

00534 sondere hochtemperatursupraleitfähigen Werkstoff, wobei

00535 eine elektrisch leitfähige Schicht (2, 4) einen durch

00536 eine umlaufende Randkante (R) begrenzten Grundriß auf-

00537 weist und bei Beaufschlagung des Resonators mit einer

00538 vorgewählten Resonanzfrequenz sich in einer der beiden

00539 Schichten (2, 4) Stromlinien eines elektrischen Stromes

00540 ausbilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie,

00541 insbesondere der Grundriß der einen leitfähigen Schicht

00542 (2) (strukturierte Schicht) so gewählt ist, daß sich bei

00543 der Resonanzfrequenz in der strukturierten Schicht (2)

00544 im wesentlichen nur die Randkante (R) (in einer gedach-

00545 ten Verlängerung) schneidende Stromlinien (S) einstellen. 00546

00547 2. Resonator nach Anspruch 1 oder insbesondere danach,

00548 dadurch gekennzeichnet, daß die andere leitfähige

00549 Schicht (4) (unstrukturierte Schicht) in ihrem Grundriß

00550 im wesentlichen an den Grundriß der Isolationsschicht

00551 (3) angepaßt ist. 00552

00553 3. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden

00554 Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich-

00555 net, daß der Grundriß der strukturierten Schicht (2) im

00556 wesentlichen kreisförmig ist. 00557

00558 4. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden

00559 Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich-

00560 net, daß der Grundriß der strukturierten Schicht (2) im

00561 wesentlichen kreisringförmig ist. 00562 00563 5. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden

00564 Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich-

00565 net, daß bei kreisringförmigen Grundriß der strukturier-

00566 ten Schicht (2) eine Breite (B) des Kreisringes nach der

00567 Formel 00568

00569 B Ä* (15 bis

^• f₀/GHz)

00570

00571 gewählt ist, wobei B die sich ergebende Breite des Kreis-

00572 ringes in Zentimeter ist, Epsilon_r die Dielektrizitäts-

00573 konstante der Isolationsschicht, fn die Resonanzfrequenz

00574 in GHz und die zwischen 15 bis 18 liegende Zahl eine

00575 gefundene Konstante ist. 00576

00577 6. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden

00578 Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich-

00579 net, daß der Durchmesser der strukturierten Schicht (2)

00580 so gewählt ist, daß sich bei der gegebenen Resonanzfre-

00581 quenz ein Schwingungstyp einstellt, der nur Stromlinien

00582 (S) aufweist, welche radial gerichtet sind. 00583

00584 7. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden

00585 Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich-

00586 net, daß bei kreisförmigem Grundriß der strukturierten

00587 Schicht (2) ein kleinster Durchmesser nach der Formel 00588

00589 D/cm ^ 36,6/ {-{ . f₀/GHz)

00590

00591 gewählt ist, wobei D der sich ergebende Durchmesser in

00592 Zentimenter ist, Epsilon_r die Dielektrizitätskonstante

00593 der Isolationsschicht, f₀ die Resonanzfrequenz in GHz

00594 und die Zahl 36,6 eine gefundene Konstante. 00595

00596 8. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden

00597 Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich- 00598 net, daß zwei strukturierte Schichten (2) in unmittelba-

00599 rer Übereinanderlage angeordnet sind bzw. eine struktu-

00600 rierte Schicht (2) als Mittelschicht vorgesehen ist, und

00601 daß die strukturierte Schicht (2) bzw. beide strukturier-

00602 ten Schichten (2) auf ihren einander abgewandten Breit-

00603 Seiten eine Isolationsschicht (3) aufweisen, welche

00604 ihrerseits auf ihren einander abgewandten Breitseiten

00605 mit einer nicht strukturierten leitfähigen Schicht (4)

00606 überzogen sind. 00607

00608 9. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden

00609 Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich-

00610 net, daß ein Abstand (a) der Isolationsschichten (4) zwi-

00611 sehen ihren einander zugewandten Breitseiten etwa der

00612 zusammengefaßten Dicke der strukturierten Schichten (2)

00613 bei Übereinanderlage bzw. der Dicke der strukturierten

00614 Schicht (2) entspricht. 00615

00616 10. Bandpaßfilter aus Resonatoren, insbesondere aus Reso-

00617 natoren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn-

00618 zeichnet, daß eine Mehrzahl von Resonatoren (6, 7, 8,

00619 9) mit jeweils einer strukturierten und einer unstruk-

00620 turierten Schicht (2, 4) vertikal übereinander angeord-

00621 net sind und die Kopplung der Resonatoren (6, 7, 8, 9)

00622 durch fensterartige Ausnehmungen (16, 17) einer Schicht

00623 (4) des Resonators (6, 7, 8, 9) erreicht ist. 00624

00625 11. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00626 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00627 kennzeichnet, daß eine Ausnehmung (16) kreisförmig ist. 00628

00629 12. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00630 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00631 kennzeichnet, daß eine Ausnehmung (17) kreisringförmig

00632 ist. 00633 13. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00634 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00635 kennzeichnet, daß eine Koppelstärke der Resonatoren (6,

00636 7, 8, 9) durch die Abmessungen der kreisförmigen bzw.

00637 kreisringförmigen Ausnehmungen (16, 17) einstellbar ist. 00638

00639 14. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00640 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00641 kennzeichnet, daß eine kreisförmige Ausnehmung (16)

00642 einen Mittelpunkt aufweist, welcher mit einer geometri-

00643 sehen Mittelachse (15) des Resonators (6, 8) überein-

00644 stimmt. 00645

00646 15. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00647 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00648 kennzeichnet, daß eine kreisringförmige Ausnehmung (17)

00649 einen Mittelpunkt aufweist, welcher mit der geometri-

00650 sehen Mittelachse (15) des Resonators (7) übereinstimmt. 00651

00652 16. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00653 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00654 kennzeichnet, daß sich die Resonatoren (6, 7, 8, 9)

00655 insgesamt in einem im wesentlichen evakuierten Gehäuse

00656 (10) befinden. 00657

00658 17. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00659 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00660 kennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Resonatoren (20, 21,

00661 22, 23) vertikal und horizontal nebeneinander angeordnet

00662 sind, daß jeweils die vertikal übereinander angeordneten

00663 Resonatoren (20, 22) in einem gemeinsamen Gehäuse (10'

00664 bzw. 10' ' ) angeordnet sind, die horizontal benachbarten

00665 Resonatoren (20, 21 bzw. 22, 23) jedoch durch eine ge-

00666 meinsame Gehäusewand (18) voneinander getrennt sind und 00667 daß die gemeinsame Gehäusewand (18) von elektrisch leit-

00668 fähigen Kopplungselementen (19) durchsetzt ist. 00669

00670 18. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00671 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00672 kennzeichnet, daß die horizontal benachbarten Resonato-

00673 ren (20, 21 bzw. 22, 23) auf derselben horizontalen

00674 Ebene angeordnet sind. 00675

00676 19. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00677 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00678 kennzeichnet, daß die Kopplungselemente (19) zu den

00679 Resonatoren (20, 22 bzw. 21 23) jeweils vertikal beab-

00680 standet sind. 00681

00682 20. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vσrherge-

00683 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00684 kennzeichnet, daß eine Kopplungselement (19) in den

00685 beiden benachbarten Gehäusen jeweils teilweise in Über-

00686 deckung zu einem Resonator angeordnet ist. 00687

00688 21. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00689 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00690 kennzeichnet, daß die Isolationsschicht (3) eine Dielek-

00691 trizitätskonstante größer als 10 aufweist. 00692

00693 22. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00694 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00695 kennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante zwischen

00696 20 und 30 liegt. 00697

00698 23. Bandpaßfilter nach einem oder mehreren der vorherge-

00699 henden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch ge-

00700 kennzeichnet, daß die Isolationsschicht (3) aus Lanthan-

00701 aluminat, Magnesiumoxid oder Saphir besteht.