WO2020127199A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung einer nichtlinearität eines dielektrischen materials - Google Patents

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WO2020127199A1
WO2020127199A1 PCT/EP2019/085556 EP2019085556W WO2020127199A1 WO 2020127199 A1 WO2020127199 A1 WO 2020127199A1 EP 2019085556 W EP2019085556 W EP 2019085556W WO 2020127199 A1 WO2020127199 A1 WO 2020127199A1
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WO
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resonator
dielectric material
relative permittivity
disks
electric field
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Application number
PCT/EP2019/085556
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English (en)
French (fr)
Inventor
Florian BERGMANN
Martin Letz
Original Assignee
Schott Ag
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/02—Investigating the presence of flaws

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining a non-linearity of the charge shift, which is caused in a dielectric material in response to an electric field, and a composite resonator element for a device for determining a non-linearity of the charge shift.
  • In the electromagnetic spectrum there are two windows in the transparency of the atmosphere that can be used for wireless applications, one in the optical range (1 «a few nm) and one in the microwave range (Lambda « a few cm). While the optical window is not used for mobile communication, the microwave window is used by a number of known technologies, in particular radio, GPS, satellite television, WLAN, radar and mobile phone connections. With regard to the achievement of the 5G standard, the frequency space will have to be expanded to higher frequencies and used more efficiently.
  • dielectrics in microwave circuits has several advantages: On the one hand, they can be used as dielectric resonators (DR) for filters. Because of their miniaturized size, they do better than conventional microwave cavity resonators. In addition, antennas can be equipped with dielectrics, which allows smaller designs and their sensitivity to changes in the electromagnetic
  • Dielectrics that are used in microwave applications are mainly (sintered) ceramics.
  • Dielectric resonators with high dielectric constants and low dielectric losses have been developed as well as temperature-resistant systems.
  • they due to their production process during sintering, they show some artifacts with disadvantages: a certain degree of porosity and inhomogeneity.
  • Glass ceramics are made from a homogeneous liquid glass melt. Because of the different process, they do not show the disadvantages of sintered ceramics, but they have another disadvantage: their dielectric loss is about 10 times greater than that of sintered ceramics.
  • a dielectric resonator for mobile communication systems should have a high dielectric constant e r , a low loss tan d and a vanishing temperature coefficient t G of the resonance frequency.
  • Intermodulation arises from the nonlinear response of an otherwise passive device and is therefore referred to as passive intermodulation (PIM) to distinguish it from nonlinear responses from active devices such as amplifiers.
  • PIM passive intermodulation
  • Intermodulation can have various causes, for example dielectrics that react non-linearly to an applied electric field. In general, it is difficult to experimentally isolate the various sources of PIM.
  • PIM is usually measured on a system basis. Shitvov et al. measure the PIM generation, for example, in a microstrip line, whereby the PIM generation can start from the conductor or from the substrate (Alexey Shitvov, Dmitry Kozlov, Alexander Schuchinsky: Nonlinear Characterization for Microstrip Circuits with Low Passive Intermodulation, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 66: 2, 865-874, 2018).
  • PIM passive intermodulation
  • a device and a method should therefore be specified which make it possible to determine a non-linearity of the charge shift which is caused in a dielectric material in response to an electric field.
  • the invention relates to a device for determining a nonlinearity of the
  • the device comprises a resonator arrangement with at least one resonator element which contains the dielectric material with relative permittivity e r .
  • the device further comprises an injection device for introducing at least one signal, which serves to expose the resonator arrangement to the electric field E.
  • the device comprises an extraction device for extracting at least one signal which corresponds to a resonance of the resonator arrangement.
  • the dielectric material with relative permittivity e r represents a disturbance in a system that resonates even without this material or in a resonator arrangement that also resonates without this material.
  • the natural frequency of the resonance is therefore in particular not determined solely by the material of permittivity e r to be characterized becomes.
  • the resonator element contains at least one further dielectric material with greater relative permittivity e t '> er , which preferably at least partially surrounds the dielectric material with relative permittivity e t .
  • a structure can also be provided with three Fabry-Perrot resonators arranged at an angle of approximately 120 degrees, in the center of which there is a sample or the £ r material.
  • the resonator element preferably comprises at least three adjacently arranged in particular adjacent, discs, such that a central disc surrounded axially by a left wheel and a right wheel, wherein the central disc contains the dielectric material with relative permittivity e t, and / or the or the two surrounding disks contain the dielectric material with relative permittivity e t '.
  • the resonator element comprises at least three concentrically arranged, in particular adjoining, disks, such that an annular middle disk is radially surrounded by an inner disk and an annular outer disk, the middle disk being the dielectric material with relative Permittivity e r contains and / or one or the two surrounding disks contain the dielectric material with relative permittivity e /.
  • the dielectric material has in particular a relative permittivity e r ⁇ 20, preferably e t ⁇ 15, particularly preferably e, - ⁇ 10, again more preferably e r ⁇ 5.
  • the further dielectric material in particular has a relative permittivity er '> 5, preferably er '> 10, particularly preferably er. > 15, more preferred e /> 20 on.
  • the dielectric material with relative permittivity e r in particular the surrounding outer panes of the resonator element, can be designed as a glass ceramic, in particular a glass ceramic which contains Ba ⁇ hoA Chz as the crystal phase.
  • the resonator arrangement preferably comprises a plurality of, in particular three, coupled resonator elements, the plurality of coupled resonator elements comprising a plurality of,
  • the device preferably further comprises a, in particular tubular, waveguide, which houses the one or more, in particular cylindrical, resonator elements.
  • the natural frequencies w c , w 2 , w 3 are preferably in the cut-off region of the waveguide, so that electromagnetic waves cannot propagate with the frequencies.
  • the resonator element or elements preferably have a thickness between 1 and 4 centimeters * Wmess / GHz and / or a diameter between 3 and 9 centimeters * u / GHz, the values of the disk thickness and diameter being the length multiplied by the measurement frequency oo m ess ( in GHz).
  • a smaller structure can be used, with frequencies that are too high and Accordingly, the manufacturing inaccuracies can be a limiting factor if the structure is too small.
  • the frequencies w 1 , w 2 , w 3 are preferably so close together that the
  • (w c - w 2 ) / w 1 ⁇ 0.1, preferably (w c - w 2 ) / w 1 ⁇ 0.05 can be provided.
  • the adjacent left, middle and right pane can have a thickness between 0.4 and 3 centimeters * u / GHz, 0.1 and 3 centimeters * u / GHz or 0.4 and 3 centimeters * Wmess / GHz.
  • the inner, middle and outer disks can have a diameter between 0 and 5 centimeters * u / GHz, 0 and 6 centimeters * u / GHz or 3 and 12 centimeters * u / GHz.
  • the resonator element or elements in particular the adjacently arranged disks or the inner one of the concentrically arranged disks, can have a, in particular centrally formed, storage opening.
  • the device can further comprise a bearing device in order to hold the resonator element (s), in particular by means of the bearing opening, and preferably to space them from the waveguide.
  • the storage device can comprise a material or consist of a material which has a relative permittivity er ⁇ 2, preferably er ⁇ 1.5, particularly preferably er ⁇ 1.1, again more preferably er, ⁇ 1.05.
  • the invention further relates to a composite resonator element for a device for determining a non-linearity of the charge shift which is caused in a dielectric material in response to an electric field, in particular as described above.
  • the composite resonator element comprises three adjacently arranged, in particular adjoining, disks, such that a middle disk is axially surrounded by a left-hand disk and a right-hand disk, or at least three concentrically arranged, in particular adjoining, disks, such that an annular middle disk Disc is radially surrounded by an inner disc and an annular outer disc.
  • the middle pane contains a dielectric material with relative permittivity e t and one or the two surrounding panes contains a further dielectric material with greater relative permittivity e r '> e r .
  • the invention also relates to a method for determining a non-linearity of the
  • a resonator arrangement with at least one resonator element which contains a dielectric material with relative permittivity e r and a further dielectric material with greater relative permittivity e t '> e r , is exposed to an electric field E such that a resonance of the resonator arrangement is excited and a signal which corresponds to a resonance of the resonator arrangement is taken in order to determine the non-linearity, in particular the coefficient a t .
  • the extracted signal preferably corresponds to the resonance with the frequency w 3 . Furthermore, a further signal is preferably extracted which corresponds to a different resonance of the resonator, in particular the resonance with the frequency w
  • the nonlinearity in particular the coefficients a t, can be determined by means of one or more signals which serve to expose the resonator arrangement to the electric field E and / or one or more signals which correspond to a resonance of the resonator.
  • an energy stored in the resonance of the resonator element can be calculated.
  • the first nonlinear, non-vanishing term for an isotropic medium is third order:
  • Nonlinearities consist in the fact that devices with high electrical field strengths generally show a nonlinear behavior, so that the nonlinearity of the material to be tested can no longer be determined. Approaches to measuring small non-linearities should therefore take into account the application of high electric fields to the source in question.
  • the intermodulation generation has in comparison to the generation of harmonics (harmonics) the favorable property that it only takes place where both intermodulating frequencies are present. For this reason, intermodulation methods enable one
  • dielectric resonators are concentrated.
  • three such resonators of the same resonance frequency can be coupled. You can have three different ones
  • an intermodulation signal is generated in the arrangement, it can therefore be stored in particular in the third mode and its amplitude can be increased by the Q factor of the resonators. This increases the sensitivity of the structure to small ones
  • Intermodulation signals Separate input and isolated dielectric resonators tuned to the input frequencies can ensure that the signal from the other input does not enter the first frequency input system and that none
  • Output can be achieved by detecting in the area of the central resonator, where the second mode has a node.
  • the detection can thus be limited to wL and w 3 at the location of the central resonator in order to prevent further intermodulation generation of w 3 after the output.
  • Nishikawa et. al. Sintered ceramics with low non-linearity (Youhei Ishikawa, Hiroshi Tamura, Toshio Nishikawa, Kikuo Wakino: Extremely low distortion dielectric ceramics, Ferroelectrics 135: 1, 371 - 383, 1992).
  • the measurement method is limited to materials with a high dielectric constant (e.g. e r > 20), because resonators made of materials with a high dielectric constant (e.g. e r ⁇ 10) do not enter the cut -Off waveguide would fit.
  • a high dielectric constant e.g. e r > 20
  • resonators made of materials with a high dielectric constant e.g. e r ⁇ 10
  • the concentration in the radial direction can be used by omitting a thin tube from the material with a high e r and replacing it with a material with a lower e r . Concentration in the longitudinal direction makes handling easier, as a rule, since a thin disk can be inserted in the middle of the length of the resonator, which is generally easier to manufacture than a thin hollow tube.
  • the boundary conditions of the lower e r do not lead to a discontinuity in the electrical field in the disk, since the electrical field of the TE Qls- Mo0e, a transverse electrical mode, does not have a vertical component on the surface, but only a parallel one
  • the pane to be inserted may be limited or an optimal pane thickness may arise.
  • the arrangement makes it possible, in particular, to measure the relative amplitude of the first and third modes.
  • the ratio of the energies can be stated as follows:
  • the equation determines the limit of sensitivity for measuring the non-linearity of the low £ r material in the disk compared to the surrounding high £ r material.
  • Computer simulation software can be calculated.
  • the ratio of the sixth power of the field distribution for a 12 mm thick disk between two 12 mm resonators is again about 0.3. Therefore, it becomes possible nonlinearities of materials with low e r r to measure material with a 30-fold higher sensitivity to the non-linearity of the high £.
  • TTV total thickness variations
  • Spacers (which in particular is not the middle disk) are kept at a defined distance from each other and the middle disk is between the through the Spacer spaced surrounding washers.
  • the spacer With three axially adjacent disks, the spacer can be located in particular in the center of the disks.
  • the spacer can preferably be tubular, for example as a glass tube. In this way, the frequency can be hit precisely enough with real substrate materials that show TTV and / or warp.
  • thin layers of a material are inserted between two thick plates made of a material with a high e r , which means a high field concentration in the
  • Material layer enables and offers the possibility to construct resonators of suitable size for your use in a cut-off waveguide. Characterized non-linearities can be taken into account in the simulation software and enable PIM predictions before the construction of an overall system.
  • a device 1 for determining a non-linearity of the charge shift which is caused in a dielectric material in response to an electric field comprising a resonator arrangement 2 with at least one resonator element 3 which contains the dielectric material, an injection device 4 for introducing at least one
  • an extraction device 5 for extracting at least one signal which corresponds to a resonance of the resonator arrangement.
  • 2 shows a resonator element 3 of a resonator arrangement 2 with at least three adjacent disks 6, 7, 8, the two outer disks 6, 8 having a higher relative permittivity than the middle disk 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material (7) in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, mit einem Resonatorelement (3) in einer Resonatoranordnung (2), wobei das Resonatorelement (3) das dielektrische Material (7) mit einer relativer Permittivität und zumindest ein weiteres dielektrisches Material (6, 8) mit einer größeren relativen Permittivität enthält.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG EINER NICHTLINEARITÄT EINES DIELEKTRISCHEN MATERIALS
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufen wird sowie ein Verbund-Resonatorelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung.
Hintergrund der Erfindung
Die wachsende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdaten in mobilen Anwendungen erfordert neue Lösungen in vielen Bereichen der Technik und der Wissenschaft. Insbesondere steigt in Netzwerken für die drahtlose Kommunikation im GHz-Frequenzbereich die nötige Anzahl der Kanäle, die gleichzeitig genutzt werden. Die derzeit in der Entwicklung befindliche fünfte Generation von Mobilfunkstandards (5G) zielt darauf ab, das Datenvolumen im Vergleich zur heute verwendeten LTE4-Technologie den Faktor 100 oder mehr zu erhöhen. Dieses ehrgeizige Ziel erfordert neue Spezifikationen für Mobilfunknetze.
Die Datengeschwindigkeit (in Bit/s) ist direkt proportional zur Bandbreite (in Hz=1/s), die für die Informationsübertragung zur Verfügung steht. Bei höheren Frequenzen steht also mehr relative Bandbreite zur Verfügung. Im elektromagnetischen Spektrum existieren zwei Fenster in der Transparenz der Atmosphäre, die für drahtlose Anwendungen genutzt werden können, eines im optischen Bereich (l « einige nm) und eines im Mikrowellenbereich (Lambda « einige cm). Während das optische Fenster für die mobile Kommunikation nicht verwendet wird, wird das Mikrowellenfenster durch zahleiche bekannte Technologien genutzt, insbesondere Radio, GPS, Satellitenfernsehen, WLAN, Radar- und Mobiltelefonverbindungen. Im Hinblick auf die Erreichung des 5G-Standards, wird der Frequenzraum auf höhere Frequenzen erweitert und effizienter genutzt werden müssen.
Der Einsatz von Dielektrika in Mikrowellenschaltungen hat mehrere Vorteile: Zum einen können sie als dielektrische Resonatoren (DR) für Filter eingesetzt werden. Hier schneiden sie aufgrund ihrer miniaturisierten Größe besser ab als herkömmliche Mikrowellen-Hohlraumresonatoren. Darüber hinaus können Antennen mit Dielektrika ausgestattet werden, was kleinere Bauformen erlaubt und ihre Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen der elektromagnetischen
Eigenschaften des umgebenden Raumes reduziert.
Dielektrika, die in Mikrowellenanwendungen verwendet werden, sind hauptsächlich (gesinterte) Keramiken. Dielektrische Resonatoren mit hohen Dielektrizitätskonstanten und geringen dielektrischen Verlusten wurden ebenso entwickelt wie temperaturbeständige Systeme. Aufgrund ihres Produktionsprozesses beim Sintern zeigen sie jedoch einige Artefakte mit Nachteilen: Ein gewisser Grad an Porosität und Inhomogenität. Glaskeramiken hingegen werden aus einer homogenen flüssigen Glasschmelze hergestellt. Aufgrund des unterschiedlichen Verfahrens zeigen sie nicht die Nachteile von Sinterkeramiken, haben jedoch einen anderen Nachteil: Ihr dielektrischer Verlust ist etwa 10 mal größer als bei gesinterten Keramiken.
Die wichtigsten Eigenschaften die ein dielektrisches Material für GHz-Anwendungen
charakterisieren sind seine relative Dielektrizitätskonstante er, sein Verlust tan d und sein Temperaturkoeffizient
Figure imgf000004_0001
Ein dielektrischer Resonator für mobile Kommunikationssysteme sollte eine hohe Dielektrizitätskonstante er, einen geringen Verlust tan d und einen verschwindenden Temperaturkoeffizienten tG der Resonanzfrequenz aufweisen.
Es gibt verschiedene Methoden, um diese Eigenschaften zu bestimmen, sowie zahlreiche Forschung, die sich damit befasst, diese Eigenschaft zu realisieren. Die Mobilfunktechnik steht jedoch vor der Herausforderung der Intermodulation, die durch die oben genannten
Eigenschaften nicht beschrieben werden kann. Intermodulation entsteht durch die nichtlineare Reaktion einer ansonsten passiven Vorrichtung und wird daher als passive Intermodulation (PIM) bezeichnet, um sie von nichtlinearen Reaktionen aktiver Vorrichtungen wie Verstärkern zu unterscheiden. Intermodulation kann verschiedene Ursachen haben, beispielsweise Dielektrika, die nichtlinear auf ein angelegtes elektrisches Feld reagieren. Im Allgemeinen ist es schwierig, die verschiedenen Quellen von PIM experimentell zu isolieren.
Die Messung von PIM erfolgt heutzutage in der Regel auf Systembasis. Shitvov et al. messen die PIM-Erzeugung beispielsweise in einer Mikrostreifenleitung, wobei die PIM-Erzeugung vom Leiter oder vom Substrat ausgehen kann (Alexey Shitvov, Dmitry Kozlov, Alexander Schuchinsky: Nonlinear Characterization for Microstrip Circuits with Low Passive Intermodulation, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 66:2, 865-874, 2018).
Eine Ausnahme von den Systemmessungen ist die Arbeit von Nishikawa et al. für Sinterkeramik (JPH02147962A), die einen Aufbau beschriebt, bei welchem die Intermodulation allein auf ein dielektrisches Material zurückzuführen ist. Ferner darauf aufbauend, die von Florian Bergmann verfasste Masterarbeit, die sich mit der Charakterisierung der Nichtlinearität von Glaskeramiken als Materialeigenschaft befasst (2018, Florian Bergmann, "Measuring extremely small nonlinear electric responses in glasses and glass ceramics", SCHOTT AG).
Für Materialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten er gelangen diese Ansätze allerdings an ihre Grenzen. Dies betrifft insbesondere die meisten Substratmaterialien. In diesen Fällen ist der Aufbau eines gemäß Nishikawa et al. beschriebenen Resonators mit einer Eigenresonanz nicht mehr durchführbar.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zu stellen, welche es ermöglichen, passive Intermodulation (PIM) auf Materialbasis in Materialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten (relativer Permittivität) er zu bestimmen. Insbesondere soll demnach eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben werden, das es ermöglicht, eine Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, zu bestimmen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Nichtlinearität der
Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, insbesondere zur Bestimmung eines mit einer Suszeptibilität t-ter Ordnung Xi in Zusammenhang stehenden Koeffizienten at = Xi/er einer Reihendarstellung der elektrischen Flussdichte D(E ) = e0et(E + Sί=3 5 iEl) innerhalb des dem elektrischen Feld E ausgesetzten dielektrischen Materials mit relativer Permittivität et. Die Vorrichtung umfasst eine Resonatoranordnung mit zumindest einem Resonatorelement, welches das dielektrische Material mit relativer Permittivität er enthält.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Injektionseinrichtung zur Einleitung zumindest eines Signals, welches dazu dient, die Resonatoranordnung dem elektrischen Feld E auszusetzen.
Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Extraktionseinrichtung zur Entnahme zumindest eines Signals, welches einer Resonanz der Resonatoranordnung entspricht.
Das dielektrische Material mit relativer Permittivität er stellt eine Störung in einem auch ohne dieses Material resonierenden System bzw. in einer auch ohne dieses Material resonierenden Resonatoranordnung dar. Die Eigenfrequenz der Resonanz ist demnach insbesondere nicht alleine durch das zu charakterisierende Material der Permittivität er bestimmt wird.
Insbesondere enthält das Resonatorelement zusätzlich zu dem dielektrischen Material mit relativer Permittivität er zumindest ein weiteres dielektrisches Material mit größerer relativer Permittivität et' > er enthält, welches vorzugsweise das dielektrische Material mit relativer Permittivität et zumindest teilweise umgibt.
Es kann aber auch ein Aufbau mit drei im Winkel von ca. 120 Grad angeordneten Fabry-Perrot- Resonatoren vorgesehen sein, in deren Zentrum sich eine Probe bzw. das £r-Material befindet.
Vorzugsweise umfasst das Resonatorelement zumindest drei benachbart angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben, derart, dass eine mittlere Scheibe von einer linken Scheibe und einer rechten Scheibe axial umgeben ist, wobei die mittlere Scheibe das dielektrische Material mit relativer Permittivität et enthält und/oder eine der oder die beiden umgebenden Scheiben das dielektrische Material mit relativer Permittivität et' enthalten.
Es kann aber grundsätzlich auch vorgesehen sein, dass das Resonatorelement zumindest drei konzentrisch angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben umfasst, derart, dass eine ringförmige mittlere Scheibe von einer inneren Scheibe und einer ringförmigen äußeren Scheibe radial umgeben ist, wobei die mittlere Scheibe das dielektrische Material mit relativer Permittivität er enthält und/oder eine der oder die beiden umgebenden Scheiben das dielektrische Material mit relativer Permittivität e/ enthalten.
Das dielektrische Material weist insbesondere eine relative Permittivität er < 20, vorzugsweise et < 15, besonders bevorzugt e,- < 10, nochmals bevorzugter er < 5 auf.
Das weitere dielektrische Material weist insbesondere eine relative Permittivität er' > 5, vorzugsweise er' > 10, besonders bevorzugt e . > 15, nochmals bevorzugter e/ > 20 auf.
Das dielektrische Material mit relativer Permittivität er, insbesondere die umgebenden äußeren Scheiben des Resonatorelements, können als Glaskeramik ausgebildet sein, insbesondere eine Glaskeramik die Ba^hoA Chz als Kristallphase enthält.
Vorzugsweise umfasst die Resonatoranordnung mehrere, insbesondere drei, gekoppelte Resonatorelemente, wobei die mehreren gekoppelten Resonatorelemente mehrere,
insbesondere drei, Resonanzen aufweisen, vorzugsweise mit Frequenzen w1, w2, w3, wobei
Figure imgf000007_0001
gilt.
Die Vorrichtung umfasst ferner vorzugsweise einen, insbesondere tubulär ausgebildeten, Wellenleiter, welcher das oder die, insbesondere zylindrisch ausgebildeten, Resonatorelemente beherbergt. Die Eigenfrequenzen wc, w2, w3 liegen vorzugsweise im cut-off Bereich des Wellenleiters, so dass elektromagnetische Wellen mit den Frequenzen nicht propagieren können.
Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Injektionseinrichtung zumindest zwei getrennte, insbesondere stirnseitig an dem Wellenleiter angeordnete, Eingangselemente zur Einleitung zumindest zwei verschiedener Signale aufweist, um die Resonatoranordnung einem als
Superposition gebildeten elektrischen Feld E = E1 + E2 auszusetzen.
Bevorzugt weisen das oder die Resonatorelemente eine Dicke zwischen 1 und 4 Zentimeter * Wmess/GHz und/oder einen Durchmesser zwischen 3 und 9 Zentimeter * u /GHz auf, wobei die Werte von Scheibendicke und Durchmesser als Länge multipliziert mit der Messfrequenz oomess (in GHz) angegeben sind. Um die Nichtlinearitäten bei höheren Frequenzen bestimmen zu können kann ein kleinerer Aufbau zum Einsatz kommen, wobei bei zu hohen Frequenzen und demnach zu kleinem Aufbau die Fertigungsungenauigkeiten einen limitierenden Faktor darstellen können.
Vorzugsweise liegen die Frequenzen w1, w2, w3 so dicht beieinander, dass sich die
dielektrischen Eigenschaften, insbesondere der dielektrische Verlust nicht nennenswert ändert. Demnach kann (wc - w2)/w1 < 0,1 , bevorzugt (wc - w2)/w1 < 0,05 vorgesehen sein.
Insbesondere ergeben sich drei äquidistante Resonanzfrequenzen, die vorzugsweise nahe beieinander liegen (relativer Abstand kleiner als 0,1 , besser 0,05).
Die benachbart angeordnete linke, mittlere und rechte Scheibe kann eine Dicke zwischen 0,4 und 3 Zentimeter * u /GHz, 0,1 und 3 Zentimeter * u /GHz bzw. 0,4 und 3 Zentimeter * Wmess/GHz aufweisen.
Im Fall konzentrisch angeordneter Scheiben kann die innere, mittlere und äußere Scheibe einen Durchmesser zwischen 0 und 5 Zentimeter * u /GHz, 0 und 6 Zentimeter * u /GHz bzw. 3 und 12 Zentimeter * u /GHz aufweisen.
Das oder die Resonatorelemente, insbesondere die benachbart angeordneten Scheiben oder die innere der konzentrisch angeordneten Scheiben können eine, insbesondere zentral ausgebildete, Lagerungsöffnung aufweisen.
Entsprechend kann die Vorrichtung ferner eine Lagerungseinrichtung umfassen, um das oder die Resonatorelemente, insbesondere mittels der Lagerungsöffnung, zu halten und vorzugsweise von dem Wellenleiter zu beabstanden.
Die Lagerungseinrichtung kann ein Material umfassen oder aus einem Material bestehen, welches eine relative Permittivität er < 2, vorzugsweise er < 1.5, besonders bevorzugt er < 1.1, nochmals bevorzugter e,- < 1.05 aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verbund-Resonatorelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, insbesondere wie vorstehend beschrieben. Das Verbund-Resonatorelement umfasst drei benachbart angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben, derart, dass eine mittlere Scheibe von einer linken Scheibe und einer rechten Scheibe axial umgeben ist oder zumindest drei konzentrisch angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben, derart, dass eine ringförmige mittlere Scheibe von einer inneren Scheibe und einer ringförmigen äußeren Scheibe radial umgeben ist.
Erfindungsgemäß enthält die mittlere Scheibe ein dielektrisches Material mit relativer Permittivität et und eine der oder die beiden umgebenden Scheiben ein weiteres dielektrisches Material mit größerer relativer Permittivität er' > er.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Bestimmung einer Nichtlinearität der
Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, insbesondere zur Bestimmung eines mit einer Suszeptibilität t-ter Ordnung Xi in Zusammenhang stehenden Koeffizienten at = Xi/er einer Reihendarstellung der elektrischen Flussdichte D(E ) = e0 er(E + Sί=3 5 c ^) innerhalb des dem elektrischen Feld E ausgesetzten dielektrischen Materials mit relativer Permittivität er, insbesondere mittels einer Vorrichtung wie vorstehend beschrieben.
Bei dem Verfahren wird eine Resonatoranordnung mit zumindest einem Resonatorelement, welches ein dielektrisches Material mit relativer Permittivität er und ein weiteres dielektrisches Material mit größerer relativer Permittivität et' > er enthält einem elektrischen Feld E ausgesetzt, derart, dass eine Resonanz der Resonatoranordnung angeregt wird und ein Signal, welches einer Resonanz der Resonatoranordnung entspricht, entnommen, um die Nichtlinearität, insbesondere den Koeffizienten at zu bestimmen.
Die eingesetzte Resonatoranordnung kann mehrere Resonanzen aufweisen, insbesondere drei Resonanzen mit Frequenzen w1, w2, w3, wobei w3 = 2w2 - wc gilt, insbesondere indem die Resonatoranordnung mehrere, insbesondere drei, gekoppelte Resonatorelemente umfasst.
Es kann vorgesehen sein, dass die Resonatoranordnung einem als Superposition aus einem ersten elektrischen Feld mit einer Frequenz wc und einem zweiten elektrischen Feld mit einer Frequenz w2 gebildeten elektrischen Feld E = E1 + E2 ausgesetzt wird und die angeregte Resonanz der Resonatoranordnung einer Intermodulation der Frequenz wc und der Frequenz w2 entspricht, insbesondere mit der Frequenz w3 = 2w2 - w .
Das entnommene Signal entspricht vorzugsweise der Resonanz mit der Frequenz w3. Ferner vorzugsweise wird ein weiteres Signal entnommen, welches einer anderen Resonanz des Resonators entspricht, insbesondere der Resonanz mit der Frequenz w
Mittels eines oder mehrerer eingeleiteter Signale, welche dazu dienen, die Resonatoranordnung dem elektrischen Feld E auszusetzen und/oder eines oder mehrerer entnommener Signale, welcher einer Resonanz des Resonators entsprechen, kann die Nichtlinearität, insbesondere der Koeffizienten at bestimmt werden.
Zur Bestimmung der Nichtlinearität, insbesondere des Koeffizienten a kann eine in der Resonanz des Resonatorelements gespeicherte Energie berechnet werden.
Detaillierte Beschreibung einer Ausführunqsform
Bei hohen elektrischen Feldstärken kann im Allgemeinen nicht mehr von einem linearen Verhältnis zwischen der elektrischen Flussdichte und dem angelegten elektrischen Feld ausgegangen werden, sondern es sind Termen höherer Ordnung zu berücksichtigen. Der erste nichtlineare nicht verschwindende Term für ein isotropes Medium ist dritter Ordnung:
Figure imgf000010_0001
Von Interesse ist insbesondere die kubische Nichtlinearität a3. Diese ist bei Dielektrika verglichen mit Ferroelektrika gering. Die Herausforderung bei der Messung kleiner
Nichtlinearitäten besteht darin, dass Geräte bei hohen elektrischen Feldstärken in der Regel ein nichtlineares Verhalten zeigen, so dass die Nichtlinearität des zu prüfenden Materials nicht mehr bestimmt werden kann. Ansätze zur Messung kleiner Nichtlinearitäten sollten daher berücksichtigen, hohe elektrische Felder allein an die betreffende Quelle anzulegen. Die Intermodulationsgenerierung hat im Vergleich zur Generierung von Oberwellen (Harmonischen) die günstige Eigenschaft, dass sie nur dort stattfindet, wo beide intermodulierenden Frequenzen vorhanden sind. Aus diesem Grund ermöglichen Intermodulationsverfahren einen
Versuchsaufbau, bei dem beide Frequenzen nur bei einem bestimmten Bereich des Aufbaus vorhanden sind. Dazu erfolgt eingangsseitig eine getrennte Einleitung und ausgangsseitig eine frühestmögliche Trennung des Intermodulationssignals von den ursprünglichen Frequenzen. Darüber hinaus kann metallische Kontaktierung mit dem Material, das einem Feld ausgesetzt werden soll, das Problem mit sich bringen, selbst eine Intermodulation zu verursachen. Die Zuführung erfolgt daher vorzugsweise berührungslos. Um hohe elektrische Felder zu erhalten, können zylindrische dielektrische Resonatoren verwendet werden und in einem zylindrischen Hohlleiter platziert werden. Der Hohlleiter kann unterhalb der Grenzfrequenz betrieben werden, so dass keine propagierenden Wellen entstehen können und die Felder (nur) in den
dielektrischen Resonatoren konzentriert sind. Insbesondere können drei solcher Resonatoren der gleichen Resonanzfrequenz gekoppelt werden. Sie können drei verschiedene
Resonanzfrequenzen aufweisen, welche folgende Intermodulationsbeziehung erfüllen: w3 = 2w2 - w-L
Wenn ein Intermodulationssignal in der Anordnung erzeugt wird kann dieses daher insbesondere in der dritten Mode gespeichert werden und dabei seine Amplitude durch den Q-Faktor der Resonatoren erhöhen. Dies erhöht die Empfindlichkeit des Aufbaus gegenüber kleinen
Intermodulationssignalen. Getrennter Eingang und isolierte dielektrische Resonatoren, die auf die Eingangsfrequenzen abgestimmt sind, können sicherstellen, dass das Signal vom anderen Eingang nicht in das Eingangssystem der ersten Frequenz gelangt und dass keine
Intermodulation vor dem Eingang erfolgt. Der Ausschluss von Intermodulation nach dem
Ausgang kann dadurch erzielt werden, dass eine Erfassung im Bereich des zentralen Resonators erfolgt, wo die zweite Mode einen Knoten aufweist. So kann die Erfassung beschränkt werden auf w-L und w3 am Ort des zentralen Resonators, um weitere Intermodulationsgenerierung von w3 nach dem Ausgang zu verhindern. Mit einem vergleichbaren Aufbau entwarfen Nishikawa et. al. Sinterkeramiken mit niedriger Nichtlinearität (Youhei Ishikawa, Hiroshi Tamura, Toshio Nishikawa, Kikuo Wakino: Extremely low distortion dielectric ceramics, Ferroelectrics 135: 1 , 371 - 383, 1992). io
Wenn diese dielektrischen Resonatoren in einem Cut-Off-Wellenleiter platziert werden, ist die Messmethode allerdings begrenzt auf Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante (z.B. er > 20), da Resonatoren aus Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante (z.B. er < 10) nicht in den Cut-Off-Wellenleiter passen würden. Die Verteilung der Intermodulationserzeugung ist jedoch stark in der Mitte einer Scheibe konzentriert, da sie proportional zur sechsten Potenz des elektrischen Feldes ist: £6(x) . Die Konzentration erfolgt in radialer Richtung und Längsrichtung.
Durch Einfügen einer dünnen Scheibe aus einem niedrigen £r-Material in dieser Konzentration kann das Verhalten in Bezug auf die Erzeugung von Intermodulationen stark verändern, nicht aber die anderen relevanten Eigenschaften der Resonanz, wie Frequenz und Q-Faktor, da sie nur von der zweiten Potenz des elektrischen Feldes abhängen. Die Konzentration in radialer Richtung kann genutzt werden, indem ein dünnes Rohr aus dem Material mit hohem er ausgelassen wird und durch ein Material niedrigem er ersetzt wird. Die Konzentration in Längsrichtung ermöglicht gegenüber eine in der Regel einfachere Handhabung, da hier eine dünne Scheibe in der Mitte der Länge des Resonators eingefügt werden kann, was in der Herstellung gegenüber einem dünnen Hohlrohr in der Regel einfacher ist.
Die Randbedingungen des niedrigen er führen nicht zu einer Diskontinuität im elektrischen Feld in der Scheibe, da das elektrische Feld der TEQls-Mo0e, eine transversale elektrische Mode, keine senkrechte Komponente an der Oberfläche aufweist, sondern nur eine parallele
Komponente, die ein kontinuierliches Verhalten an dielektrischen Oberflächen zeigt. Das elektrische Feld fällt jedoch innerhalb der Scheibe ab. Dadurch kann die Dicke der
einzuführenden Scheibe begrenzt sein bzw. eine optimale Scheibendicke entstehen.
Die Anordnung ermöglicht es insbesondere, die relative Amplitude der ersten und dritten Mode zu messen. Das Verhältnis der Energien lässt sich wie folgt angeben:
Figure imgf000012_0001
Hierin ist en die relative ortsabhängige Dielektrizitätskonstante und a = a3 die ortsabhängige Nichtlinearität dritter Ordnung, welche somit aus der Gleichung bestimmt werden kann. Die Gleichung bestimmt die Grenze der Empfindlichkeit zur Messung der Nichtlinearität des niedrigen £r-Materials in der Scheibe im Vergleich zum umgebenden hohen £r-Material. Für ein Material er = 3 beträgt das Verhältnis der relativen Dielektrizitätskonstante etwa 0,1 für ein
Resonatormaterial mit £r = 32. Die Feldverteilungen können mit einer
Computersimulationssoftware berechnet werden.
Das Verhältnis der sechsten Potenz der Feldverteilung für eine Scheibe von 12 mm Dicke zwischen zwei Resonatoren von je 12 mm beträgt wiederum etwa 0,3. Daher wird es möglich, Nichtlinearitäten von Materialien mit niedrigem er mit einer 30-fach höheren Empfindlichkeit gegenüber der Nichtlinearität dem hohen £r-Material zu messen.
Die Nichtlinearität des hohen £r-Materials kann ohne Verwendung der Scheibenmethode, sondern mit Resonatoren aus einem Material durchgeführt werden, wie von Nishikawa et al. beschrieben. Bei etwas höherem er = 5 kann es möglich werden, eine 20-fache Empfindlichkeit gegenüber der Nichtlinearität des hohen £r-Materials zu erreichen. Da die Nichtlinearität für verschiedene Materialien über mehrere Größenordnungen variieren kann, ist diese Grenze der Empfindlichkeit für die Prüfung vieler Materialien ausreichend. Unter Verwendung der
Glaskeramik wie in der von Florian Bergmann verfassten Masterarbeit (2018, Florian Bergmann, "Measuring extremely small nonlinear electric responses in glasses and glass ceramics", SCHOTT AG), die eine kubische Nichtlinearität von (2±2) 10 16 m2/V2 aufweisen, ergibt sich aus der 30-fach niedrigeren Empfindlichkeit eine Empfindlichkeit von etwa 10 14 m2/V2.
Um auch Scheibenmaterial messen zu können das nicht perfekt ist, also Dickenschwankungen (TTV=total thickness variations) im Bereich von bis zu 0,5mm oder Verwölbungen (warp) bis zu 2mm enthält, was bei vielen Kunststoffsubstraten der Fall ist, ist es vorteilhaft einen festen Abstandshalter zwischen den beiden Resonatorplatten mit hohem er zu machen, der beispielsweise durch ein Glasröhrchen im Zentrum der Scheiben gebildet sein kann. Es kann demnach vorgesehen sein, dass die umgebenden Scheiben voneinander durch einen
Abstandshalter (welcher insbesondere nicht die mittlere Scheibe ist) in einem definierten Abstand zueinander gehalten werden und die mittlere Scheibe sich zwischen den durch den Abstandshalter voneinander beabstandeten umgebenden Scheiben befindet. Der Abstandhalter kann sich bei drei axial benachbarten Scheiben insbesondere im Zentrum der Scheiben befinden. Außerdem kann der Abstandshalter vorzugsweise rohrförmig ausgebildet sein, beispielweise als ein Glasröhrchen. Auf diese Weise kann auch bei realen Substratmaterialien, die TTV und/oder Warp zeigen, exakt genug die Frequenz getroffen werden.
Zusammenfassend wird demnach ermöglicht, kleinste Nichtlinearitäten, insbesondere bis zu einer Größe von a = 10 14 m2A/2 auf Materialbasis zu quantifizieren. Mit einem Resonatoraufbau können die Nichtlinearitäten von Materialien mit Dielektrizitätskonstanten z.B. bis er = 3 bestimmt werden. Dazu sind dünne Schichten eines Materials zwischen zwei dicken Platten aus einem Material mit hohem er eingebracht, was eine hohe Feldkonzentration in der
Materialschicht ermöglicht und die Möglichkeit bietet, Resonatoren geeigneter Größe für dein Einsatz in einem Cut-Off-Wellenleiter zu konstruieren. Charakterisierte Nichtlinearitäten können in der Simulationssoftware berücksichtigt werden und ermöglichen PIM-Vorhersagen vor dem Aufbau eines Gesamtsystems.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, umfassend eine Resonatoranordnung 2 mit zumindest einem Resonatorelement 3 welches das dielektrische Material enthält, einer Injektionseinrichtung 4 zur Einleitung zumindest eines
Signals, welches dazu dient, die Resonatoranordnung dem elektrischen Feld auszusetzen, einer Extraktionseinrichtung 5 zur Entnahme zumindest eines Signals, welches einer Resonanz der Resonatoranordnung entspricht. Fig 2 zeigt ein Resonatorelement 3 einer Resonatoranordnung 2 mit zumindest drei benachbart angeordneten Scheiben 6, 7, 8, wobei die beiden äußeren Scheiben 6, 8 eine höhere relativer Permittivität aufweisen, als die mittlere Scheibe 7.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, insbesondere zur Bestimmung eines mit einer Suszeptibilität t-ter Ordnung in Zusammenhang stehenden Koeffizienten at = Xi/er einer Reihendarstellung der elektrischen Flussdichte £> (£ ) = e0et E
Figure imgf000015_0001
innerhalb des dem elektrischen Feld E ausgesetzten dielektrischen Materials mit relativer Permittivität et, wobei die Vorrichtung umfasst:
eine Resonatoranordnung mit zumindest einem Resonatorelement, welches das dielektrische Material mit relativer Permittivität et enthält,
eine Injektionseinrichtung zur Einleitung zumindest eines Signals, welches dazu dient, die Resonatoranordnung dem elektrischen Feld E auszusetzen,
eine Extraktionseinrichtung zur Entnahme zumindest eines Signals, welches einer Resonanz der Resonatoranordnung entspricht,
wobei das dielektrische Material mit relativer Permittivität er eine Störung in einem auch ohne dieses Material resonierenden System darstellt.
2. Vorrichtung zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, insbesondere zur Bestimmung eines mit einer Suszeptibilität t-ter Ordnung in Zusammenhang stehenden Koeffizienten at = cί/et einer Reihendarstellung der elektrischen Flussdichte D(E ) = e0et(E + Sί=3,5,... c ^) innerhalb des dem elektrischen Feld E ausgesetzten dielektrischen Materials mit relativer Permittivität et, insbesondere nach Anspruch 1 , wobei die Vorrichtung umfasst:
eine Resonatoranordnung mit zumindest einem Resonatorelement, welches das dielektrische Material mit relativer Permittivität et enthält,
eine Injektionseinrichtung zur Einleitung zumindest eines Signals, welches dazu dient, die Resonatoranordnung dem elektrischen Feld E auszusetzen,
eine Extraktionseinrichtung zur Entnahme zumindest eines Signals, welches einer Resonanz der Resonatoranordnung entspricht,
wobei das Resonatorelement zusätzlich zu dem dielektrischen Material mit relativer Permittivität er zumindest ein weiteres dielektrisches Material mit größerer relativer Permittivität eg' > er enthält, welches vorzugsweise das dielektrische Material mit relativer Permittivität et zumindest teilweise umgibt.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei das Resonatorelement zumindest drei benachbart angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben umfasst, derart, dass eine mittlere Scheibe von einer linken Scheibe und einer rechten Scheibe axial umgeben ist oder wobei das Resonatorelement zumindest drei konzentrisch angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben umfasst, derart, dass eine ringförmige mittlere Scheibe von einer inneren Scheibe und einer ringförmigen äußeren Scheibe radial umgeben ist und
wobei die mittlere Scheibe das dielektrische Material mit relativer Permittivität et enthält und/oder eine der oder die beiden umgebenden Scheiben das dielektrische Material mit relativer Permittivität er' enthalten.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das dielektrische Material eine relative Permittivität et < 20, vorzugsweise et < 15, besonders bevorzugt et < 10, nochmals bevorzugter et < 5 aufweist und/oder wobei das weitere dielektrische Material eine relative Permittivität er' > 5, vorzugsweise er' > 10, besonders bevorzugt er' > 15, nochmals bevorzugter er' > 20 aufweist.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei das dielektrische Material mit relativer Permittivität er, insbesondere die umgebenden Scheiben des Resonatorelements als Glaskeramik ausgebildet sind, insbesondere als Glaskeramik, die Ba4TiioAl2027 als Kristallphase enthält.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Resonatoranordnung mehrere, insbesondere drei, gekoppelte Resonatorelemente umfasst und wobei die Resonatoranordnung und/oder die mehreren gekoppelten Resonatorelemente mehrere, insbesondere drei, Resonanzen aufweisen, vorzugsweise mit Frequenzen w1, w2, w3, wobei w3 = 1w2 - wc gilt.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6
wobei die Resonatoranordnung mehrere, insbesondere drei, Resonanzen aufweist, welche insbesondere äquidistant ausgebildet sind und/oder vorzugsweise einen relativen Abstand zueinander von weniger als 0,1 , vorzugsweise weniger als 0,05, insbesondere beispielsweise (wc - w2 )/w1 < 0, 1 , bevorzugt (wc - w2)/w1 < 0,05 aufweisen.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei die Vorrichtung ferner einen, insbesondere tubulär ausgebildeten, Wellenleiter umfasst, welcher das oder die, insbesondere zylindrisch ausgebildeten, Resonatorelemente beherbergt.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei die Injektionseinrichtung zumindest zwei getrennte, insbesondere stirnseitig an dem Wellenleiter angeordnete, Eingangselemente zur Einleitung zumindest zwei verschiedener Signale aufweist, um die Resonatoranordnung einem als
Superposition gebildeten elektrischen Feld E = E1 + E2 auszusetzen.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei das oder die Resonatorelemente eine Dicke zwischen 1 und 4 Zentimeter mal oo mess/GHz aufweisen, wobei comess die Messfrequenz bezeichnet, und/oder
wobei das oder die Resonatorelemente einen Durchmesser zwischen 3 und 9 Zentimeter mal comess/GFIz aufweisen und/oder
wobei die benachbart angeordnete linke, mittlere und rechte Scheibe eine Dicke zwischen 0,4 und 3 Zentimeter mal comess/GHz, 0,1 und 0,3 Zentimeter mal
oomess/GHzbzw. 0,4 und 3 Zentimeter mal comess/GHz aufweisen und/oder
wobei die konzentrisch angeordnete innere, mittlere und äußere Scheibe einen Durchmesser zwischen 0 und 5 Zentimeter mal comess/GHz, 0 und 6 Zentimeter mal w me ss/GHz bzw. 3 und 13 Zentimeter mal u /GHz aufweisen.
11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei das oder die Resonatorelemente, insbesondere die benachbart angeordneten Scheiben oder die innere der konzentrisch angeordneten Scheiben, eine, insbesondere zentral ausgebildete, Lagerungsöffnung aufweisen.
12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
wobei die Vorrichtung ferner eine Lagerungseinrichtung umfasst, um das oder die Resonatorelemente, insbesondere mittels der Lagerungsöffnung, zu halten und vorzugsweise von dem Wellenleiter zu beabstanden und/oder
wobei die Lagerungseinrichtung ein Material umfasst oder aus einem Material besteht, welches eine relative Permittivität er < 2, vorzugsweise er < 1.5, besonders bevorzugt e,- < 1.1, nochmals bevorzugter er < 1.05 aufweist.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12,
wobei die umgebenden Scheiben voneinander durch einen Abstandshalter in einem definierten Abstand zueinander gehalten werden und die mittlere Scheibe sich zwischen den durch den Abstandshalter voneinander beabstandeten umgebenden Scheiben befindet und
wobei sich der Abstandhalter vorzugsweise zumindest im Zentrum der Scheiben, insbesondere in der Lagerungsöffnung befindet und
wobei der Abstandhalter vorzugsweise rohrförmig ausgebildet ist, beispielweise als ein Glasröhrchen.
14. Verbund-Resonatorelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend:
zumindest drei benachbart angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben, derart, dass eine mittlere Scheibe von einer linken Scheibe und einer rechten Scheibe axial umgeben ist oder zumindest drei konzentrisch angeordnete, insbesondere aneinander angrenzende, Scheiben, derart, dass eine ringförmige mittlere Scheibe von einer inneren Scheibe und einer ringförmigen äußeren Scheibe radial umgeben ist und wobei die mittlere Scheibe ein dielektrisches Material mit relativer Permittivität er enthält und eine der oder die beiden umgebenden Scheiben ein weiteres dielektrisches Material mit größerer relativer Permittivität eg' > er enthalten.
15. Verbund-Resonatorelement nach Anspruch 14,
wobei die umgebenden Scheiben voneinander durch einen Abstandshalter in einem definierten Abstand zueinander gehalten werden und die mittlere Scheibe sich zwischen den durch den Abstandshalter voneinander beabstandeten umgebenden Scheiben befindet und
wobei sich der Abstandhalter vorzugsweise zumindest im Zentrum der Scheiben, insbesondere in der Lagerungsöffnung befindet und
wobei der Abstandhalter vorzugsweise rohrförmig ausgebildet ist, beispielweise als ein Glasröhrchen.
16. Verfahren zur Bestimmung einer Nichtlinearität der Ladungsverschiebung, die in einem dielektrischen Material in Reaktion auf ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, insbesondere zur Bestimmung eines mit einer Suszeptibilität t-ter Ordnung in Zusammenhang stehenden Koeffizienten at = Xi/er einer Reihendarstellung der elektrischen Flussdichte £> (£) = e0et(E + S/=3 ,s,... aiEl) innerhalb des dem elektrischen Feld E ausgesetzten dielektrischen Materials mit relativer Permittivität et, insbesondere mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei eine Resonatoranordnung mit zumindest einem Resonatorelement, welches ein dielektrisches Material mit relativer Permittivität et und ein weiteres dielektrisches Material mit größerer relativer Permittivität et' > et enthält einem elektrischen Feld E ausgesetzt wird, derart, dass eine Resonanz der
Resonatoranordnung angeregt wird und ein Signal, welches einer Resonanz der Resonatoranordnung entspricht, entnommen wird, um die Nichtlinearität, insbesondere den Koeffizienten at zu bestimmen.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
wobei die Resonatoranordnung mehrere Resonanzen aufweist, insbesondere drei Resonanzen mit Frequenzen w1, w2, w3, wobei w3 = 1w2 - wc gilt, insbesondere indem die Resonatoranordnung mehrere, insbesondere drei, gekoppelte Resonatorelemente umfasst
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17,
wobei die Resonatoranordnung einem als Superposition aus einem ersten elektrischen Feld mit einer Frequenz wc und einem zweiten elektrischen Feld mit einer Frequenz w2 gebildeten elektrischen Feld E = E1 + E2 ausgesetzt wird und die angeregte Resonanz der Resonatoranordnung einer Intermodulation der Frequenz wc und der Frequenz w2 entspricht, insbesondere mit der Frequenz w3 = 2w2 - w
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18,
wobei das entnommene Signal der Resonanz mit der Frequenz w3 entspricht.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19,
wobei ein weiteres Signal entnommen wird, welches einer anderen Resonanz des Resonators entspricht, insbesondere der Resonanz mit der Frequenz w
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20,
wobei mittels eines oder mehrerer eingeleiteter Signale, welche dazu dienen, die Resonatoranordnung dem elektrischen Feld E auszusetzen und/oder eines oder mehrerer entnommener Signale, welcher einer Resonanz des Resonators entsprechen, die Nichtlinearität, insbesondere der Koeffizienten at bestimmt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , wobei zur Bestimmung der
Nichtlinearität, insbesondere des Koeffizienten ab eine in der Resonanz des
Resonatorelements gespeicherte Energie berechnet wird.
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