DE2723013C2

DE2723013C2 - Dielektrischer Resonator

Info

Publication number: DE2723013C2
Application number: DE2723013A
Authority: DE
Inventors: Youhei Ishikawa; Toshio Nagaokakyo Kyoto Nishikawa; Sadahiro Kyoto Tamura
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1976-05-24
Filing date: 1977-05-21
Publication date: 1982-09-23
Also published as: JPS5622323Y2; GB1570106A; US4138652A; JPS52157733U; DE2723013A1

Description

Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Resonator mit mindestens einem zylindrischen Block aus dielektrischem Material und einem Stab aus leitfähigem Material, wobei der Stab in das elektrische Fe^ des Resonators hineinragt und die Energie des von einem Störwellentyp ei zeugten elektrischen Feldanteils durch Umsetzung in fließenden Str. .n im wesentlichen verbraucht.

Mikrowellen-Bandpaßfilter mit t'iem oder mehreren Resonatoren aus dielektrischem Material sind bekannt. Bei der Herstellung derartiger Mikrowellenfilter wird Wert darauf gelegt, daß unerwünschte Störwellentypen unterdrückt werden, indem ein relativ großer Abstand zwischen der Resonanzfrequenz des Grundwellentyps und der Störwellentypen hergestellt wird. In diesem Zusammenhang ist eine Streifenleileranordnung bekannt (vergleiche die DE-OS 24 48 286) bei der unerwünschte Wellentypen, also Störwellentypen, durch Leiterstäbe gedämpft werden, die sich in ihrer Gesamtheit außerhalb des Streifenleiters befinden. Bei dieser bekannten Streifenleiteranordnung erfordern die Leiterstäbe außerhalb des Streifenleiters eine erhebliche Vergrößerung des Gehäuses.

Ausgehend von dem zuvor erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, einen dielektrischen Resonator zu schaffen, bei dem der dem Grundwellentyp benachbarte höhere Wellentyp (Störwellentyp) durch einen leitenden Stab unterdrückt wird, ohne daß die Abmessungen des Resonators hierdurch wesentlich vergrößert werden.

Der srfindungsgemäße dielektrische Resonator, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Block des Resonators in einer Stirnseite mindestens eine Öffnung aufweist, daß die von der öffnung aufgespannte Ebene senkrecht zu den elektrischen Feldlinien des Störwellentyps angeordnet ist und daß der Stab annähernd senkrecht zu dieser F.bene durch die Öffnung hindurchgeht.

Dadurch, daß der Stab in den zylindrischen Block des Resonators eintaucht bzw. durch ihn hindurchgeht, kann ein relativ langer Stab vorgesehen werden, ohne daß die Bauhöhe des Resonators wesentlich vergrößei; werden muß. Der Stab ist hinsichtlich der Dämpfung auf seiner gesamten Länge wirksam, vergrößert aber dadurch, daß er teilweise im Innern des zylindrischen Blockes untergebracht ist, nicht unnötig die Bauhöhe des Resonators.

Bei der Entstehung des Grundwellentyps, die von der

Entstehung des Störwellentyps begleitet ist, bildet sich

ίο das elektrische Feld des Grundwelllentyps rechtwinklig zu dem elektrischen Feid des Störwellentyps aus. Das elektrische Feld des Störwellentyps bewirkt einen Stromfluß durch den Stab, während das elektrische Feld des Grundwellentyps nur sehr gering auf den Stab einwirkt. Die Energie des Störwellentyps wird daher im wesentlichen in dem Stab verbraucht und auf diese Weise der Störwellentyp als solcher unterdrückt.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindun" unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Bandpaßfilters, teilweise geschnitten, zur Verdeutlichung der Konstruktion äes erfindungsgemäßen dielektrischen Resonators,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,

Fig.3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2,

F i g. 5 eine ähnliche Darstellung wie F i g. 3, jedoch bei einer modifizierten Ausführungsform,
Fig.6(a), 6(b), Teilschnitte durch den dielektrischen Resonator, wobei das elektrische Feld und das dieses umgebende magnetische Feld eingezeichnet sind,

Fig.7(a), 7(b), graphische Darstellungen der Frequenzcharakteristik jeweils mit und ohne Stab,
Fig.8(a) eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Durchmesser des Stabes und dem Gütefaktor Qder Grundwelle und

Fig.8(b) eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Grad der Verschiebung des Stabes und w dem Gütefaktor QderStörwelleii.

In den Figuren sind durchgehend jCvveils gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Bandpaßfilter nach F i g. 1 besitzt ein Gehäuse 10 von irr -sentlichen kastenförmiger Gestalt, das aus '5 einem ι. .allischen Material, beispielsweise Messing, besteht. Das Gehäuse 10 weist einen Deckel 10a und eine Bodenplatte 10a sowie parallele Seitenwände 10c und 1Od und parallele Stirnwände 1Oe und 10f auf. Obwohl die Wände 10a bis lOf so dargestellt sind, als wären sie einstückig durch Bearbeitung eines starren Metallblocks hergestellt, können sie auch aus metallischen Platten bestehen, wobei benachbarte Wände beispielsweise unter Verwendung von Schrauben aneinander befestigt sind.

Innerhalb des Gehäuses 10 sind an der Bodenplatte 106 mehrere Resonatoren 11 befestigt. Bei dem vorliegenden Ausfühningsbeispiel sind drei Resonatoren Ha, 116, lic vorhanden. Die Resonatoren Ma, 116, Hc sind jeweils auf Abstandhaltern 12a, 126 und 12c befestigt und seitlich nebeneinander mit gegenseitigem Abstand in einer Reihe angeordnet Die Abstandhalter 12a, 126, 12c bestehen aus beliebigem elektrisch isolierendem Material von relativ niedriger Dielektrizitätskonstante. Die drei zylindrischen Resonatoren 11a, 116, lic haben jeweils eine öffnung 13a, 136,13c, in der in Ausrichtung mit der Achse des Resonators jeweils ein Stab 14a, 146,14c aus hochleitfähigem Material oder aus leitfähigem Material mit einem gewissen elektrischen

Widerstand angeordnet ist Die Beziehung zwischen den elektrischen Resonatoren It und den Stäben 14 wird weiter unten detailliert erläutert. Im folgenden wird zunächst die Beschreibung der Struktur des Gehäuses 10 sowie eines Verfahrens zur Befestigung der Resonatoren 11 an der Bodenplatte 10ά durch die jeweiligen Abstandhalter erläutert

An einer der Seitenwände ίOcsind an den jeweiligen Bereichen in der Nähe der Wandenden Verbindungseinrichtungen 15a und \5b für den Anschluß von to Koaxialkabeln h.!s Eingangs- und Ausgangsanschluß für (nicht dargestellte) Mikrowellen-Übertragungsleitungen angeordnet Diese Verbindungseinrichtungen 15ji und 150 haben axiale Anschlüsse, die gegenüber dem Gehäuse 10 elektrisch isoliert sind und die jeweils mit Sonden 16a und 166, die entweder aus elektrisch leitfähigem Material oder dielektrischem Material bestehen, verbunden sind. Die Sonden 16a und 16/) erstrecken sich im vorliegenden Falle gemäß Fig. 1. parallel zu den Stirnwänden 1Oe und 10/ und liegen einerseits zwischen der Stirnwand 1Oe und dem Resonator lla, andererseits der Stirnwand 10/und dem Resonator lic Eines der Enden einer jeden Sonde 163, 166, das von dem jeweiligen Verbindungseinrichtungen 15a, 156 abgewandt ist, ist an der betreffenden Seitenwand 10c; 10c/ mit einem Befestigungsstück 17;i oder Hb aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, befestigt Die Größe des Gehäuses 10, insbesondere seine Innenmaße, ist so gewählt, daß eine bestimmte Grenzfrequenz erreicht :o wird.

In den F i g. 2 und 3 sind Einzelheiten der dielektrischen Resonatoren 11 nach der Erfindung dargestellt.

Die Beschreibung erfolgt insbesondere anhand des ersten Resonators 11a, der in F i g. 2 links dargestellt ist. Die anderen Resonatoren Hü und lic sind in derselben Weise ausgebildet und haben den gleichen Aufbau wie der Resonator 11a. Der Resonator 11a besteht aus einem zylindrischen Block aus bekanntem dielektrischem Material, mit einer koaxialen öffnung 13a. Die Größe des zylindrischen Blocks ist so gewählt, daß der Durchmesser D einige cm, im vorliegenden Falle 1,45 cm, beträgt. Die Dicke Γ entspricht etwa dem halben Durchmesser D und wird von der Resonanzfrequenz bestimmt Der Durchmesser d der öffnung 13a beträgt etwa '/3 des Durchmessers D. Der Resonator 11a ist fest auf dem zylindrischen Abstandhalter 12a angebracht und mit diesem verbunden. Der Abstandhalter 12a ist wiederum auf der Bodenplatte 10Z> angebracht und mit dieser verbunden. Gemäß Fig.2 besitzt der Abstandhalter 12a eine öffnung 18a, die mit der öffnung 13a des Resonators 11a fluchtet. Durch die Öffnungen 13a und 18a hindurch erstreckt sich der Stab 14a auf der Achse der öffnungen 13a und 18a und im Abstand zu den Innenflächen der öffnungen 13a und 18a, da der Durchmesser des Stabes 14a kleiner ist als der Durchmesser D der öffnung 13a, nämlich rf/10 beträgt. Der Stab 14a ist bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der F i g. 1 bis 3 an einem Ende fest an der Bodenplatte XOb angebracht, so daß er durch die Mitte des Resonators Ua und des Abstandhalters 12a hindurchgeht, während sein freies Ende sich bis in die Nähe des Deckels 10a erstreckt. Bei diesen Ausführungsbeispielen kann der Stab auch fest mit dem Deckel verbunden weiden, während das andere Ende sich bis in b5 die Nähe der Bodenplatte erstreckt, oder die beiden Enden des Stabes kör.nen fest mit der Bodenplatte und dem Deckel verbunden sein. Die Verbindung zwischen dem Stab 14a und der jeweiligen Platte 10 kann direkt, z. B. durch Anlöten oder Anschrauben, erfolgen, so daß eine elektrische Verbindung zwischen dem Stab 14a und der jeweiligen Platte 10 entsteht Die Vemindung kann aber auch indirekt über bekannte Isoliermaterialien, wie Polyfluoräthylen, erfolgen, um den Stab 14a elektrisch gegenüber dem Gehäuse 10 zu isolieren.

Die Öffnung 18a dient der leichteren Anbringung des Stabes 14a und außerdem der Verbesserung der temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften des Resonators 11a. Die Höhe des Abstandhalters 12a ist so bemessen, daß die Mitte des Resonators 11a, der auf dem Abstandhalter 12a befestigt ist, mit der Mitte der Höhe A des Gehäuses i0 übereinstimmt Die Innenabmessungen des Gehäuses 10 sind so gewählt, daß die Höhe A im Bereich von 2Fbis 3Tliegt, während die Breite £ entsprechend der Richtung der Sonden 16a und 166 innerhalb eines Bereichs von 2D bis 3D liegt. Die Entfernung in Längsrichtung des Gehäuses 10 wird von der Anzahl der in dem Gehäuse 10 unterzubringenden Reson^ίoΓen 11 bestimmt

Wie aus Fig.2 ersichtlich is', sind die drei Resonatoren 1 f mit einem gegenseitige: Abstand M angeordnet M liegt normalerweise im Bereich von D/2 bis D, während die Entfernung zwischen dem Resonator 11a und der Sonde 16a und der Abstand zwischen dem Resonat-r Hc und der Sonde 16ö jeweils M/2 beträgt. Jede der Sonden 16a und 16fc ist im Abstand von der zugehörigen Stirnwand 1Oe und 10/ angeordnet Der Abstand liegt im Bereich von B bis 3B, wobei B der Sondendurchmesser ist. Die Achsen der Gonden 16a und 166 liegen auf gleicher Höhe wie die Mitten der Resonatoren 11.

Wenn das Bandpaßfilter unter Verwendung dielektrischer Resonatoren 11a, llöund llcmit Stäben 14a, 14i> und 14c in der oben beschriebenen Weise konstruiert ist ist der Grundwellentyp dar Resonanz die Woii-Welle. Die Resonanzfrequenz ist bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf 5 GHz festgelegt Sowohl der Grundwellentyp als auch die Resonanzfrequenz können durch Änderung der Abmessungen des Gehäuses 10 und eines jeden Resonators 11 geändert weruen.

In Fig. 7(a) und 7(b) ist jeweils das Frequenzverhalten des Resonators 11a dargestellt, wobei auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die Dämpfung aufgetragen ist. Die Kurve nach F i g. 7(a) erhält man, wenn der Resonator 11a keinen Stab 14a aufweist, während die Kurve nach F i g. 7(b) für den Fall gilt, daß der Resonator Ha mit dem Stab 14a versehen ist Generell gilt, daß bei einem Signal mit einem breiten Frequenzband im GHz-Bereich Störwelientypen mit einer Frequenz unterhalb der unteren Grenzfrequenz in günstiger Weise von dem Filter abgeschnitten werden, daß je Joch Störwellentypen mit Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz in unerwünschter Weise durch den Resonator Wa gefördert werden, wie es durch die Spitzen angedeutet ist, die im Anschluß an den Grundwellentyp //oia nacheinander erscheinen. Obwohl diese StörwellentyDen, die in einem vergleichsweise hohen Frequenzbereich entstehen, durch das Filter unterdrückt werden können, treten auch Störwellentypen auf, beispielsweise der Störwellentvp Ent, die in einem nahe an der Resonanzfrequenz des Grundwellentyps Woio liegenden Bereich erscheinen. Dies liegt daran, daß das Filter bis zu einem gewissen Grad den Gütefaktor des Grundwellentyps H₀\t verschlechtert. Dadurch, daß nach der Erfindung in dem Resonator lla

der Stab 14a angeordnet ist, werden die Störwellentypen in der Nähe des Grundwellentyps eliminiert, wie die Kurve in Fig. 7(b) deutlich zeigt. Die Art, in der der Störwellentyp Ew/, eliminiert wird, wird weiter unten unter Bezugnahme auf die Fi g. 6{a) und 6(b) erläutert.

!n Fig. 6{a) ist das elektrische Feld E(Ham) und das magnetische Feld Η(Ηο\λ) dargestellt, das durch den Grundwellentyp Hn\i erzeugt wird, der sich in dem Resonator 11 a ausbildet. Die Ausbildung des Grundwellentyps Hoi/, in dem Resonator 11a bewirkt, daß das magnetische Feld H(Ho\/)um den Resonator 11a herum in einer Richtung erzeugt wird, in der es durch den Mittelbereich des Resonators 11a parallel zur X-Achse des Resonators 11a hindurchgeht, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Gleichzeitig verläuft das elektrische Feld Ε(Ηο\δ), das durch die durchgezogene Linie dargestellt wird, im Inneren des Resonators in Verkettung mit dem magnetischen Feld H(Hn\t). Die Erzeugung eines Stromes entlang des Stabes 14a ist Häher unwahrscheinlich. Wenn iedoch in dem Resonator 11a der Störwellentyp E\u entsteht, werden die Verläufe des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes gegeneinander vertauscht, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf F i g. 6(b) dargelegt wird.

In F i g. 6(b) ist das elektrische Feld E(En/) und das magnetische Feld H(En/) dargestellt. Diese Felder werden durch den Störwellentyp En», der sich in dem Resonator lla ausbildet, erzeugt. Die Ausbildung des Störwellentypsf, ιλ in dem Resonator 11a bewirkt die Entstehung des elektrischen Feldes E(Eu/) um den Resonator lla herum una aurch den Mittelbereich des Resonators 11a hindurch, parallel zur X-Achse des Resonators lla, wie es durch die durchgezogene Linie angedeutet ist. Das magnetische Feld H(Eu/) wird im Inneren des Resonators lla in Verkettung mit dem elektrischen Feld E(Ew/) erzeugt und ist durch die gestrichelte Linie angedeutet. Infolge des um die X-Achse und im wesentlichen um den Stab 14a herum erzeugten magnetischen Feldes oder des in Ausrichtung mit dem Stab 14 erzeugten elektrischen Feldes wird der Strom durch den Stab 14a hindurch erzeugt. Auf diese Weise wird die Energie des Störwellentyps in dem Stab 14a verbraucht und der Störwellentyp En» im wesentlichen unterdrückt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Stäbe 14i> und 14c, die in den anderen Resonatoren llöund licvorhanden sind, im wesentlichen in derselben Weise wirken wie der Stab 14a, und daß ferner die Stäbe 14a, 14ftund 14cnicht nur den Störwellentyp En» unterdrücken, sondern auch unerwünschte Wellentypen, die ein magnetisches Feld um die Stäbe 14 herum erzeugen.

Der Durchmesser des Stabes 14a, der als etwa '/lodes Durchmessers d beschrieben wurde, kann größer oder ■ kleiner gewählt werden, wobei der geschilderte Effekt beibehalten wird. F.in größerer Durchmesser des Stabes 14a kann jedoch zu einem Absinken des Gütefaktors Qn des Resonators 11 a bei der Grundwelle Won führen. Für Resonator Ub, lic und Stäbe 14ft, 14c, gilt das gleiche.

κ> In Fig. 8(a) ist die Beziehung zwischen dem Durchmesser der Stäbe 14 und dem Gütefaktor Qh der Resonatoren 11 dargestellt. Aus der Kurve ersieht man, daß der Gütefaktor Qh abfällt, wenn sich der Durchmesser der Stäbe 14 vergrößert. Die Größe d/10

r> wird gegenwärtig bei der Konstruktion des Mikrowellen-Bandpaßfilters verwandt, wobei noch ein vergleichsweise hoher Gütefaktor beibehalten wird. In Fällen, in denen ein noch höherer Gütefaktor Qn erforderlich ist, kann der Durchmesser der Stäbe 14 noch kleiner gemacht werden, wobei ein hochleitfähiges Material, beispielsweise Gold, verwendet werden kann.

Die Stäbe 14 die nach der obigen Beschreibung in der Mitte der Resonatoren 11 entlang der Resonatorachse verlaufen, können gegenüber der Achse schräggestellt,

r. wie in Fi g. 5 dargestellt ist, oder versetzt sein.

In F i g. 8(b) ist die Beziehung zwischen dem Grad der Verschiebung und dem Gütefaktor Qe des Resonators lla für Jen Störwellentyp Ens dargestellt. Wie aus der Kurve hc-vorgeht, vergrößert sich der Gütefaktor Q_E

jo des Resonators lla für den Störwellentyp Em mit abnehmender Verschiebung des Stabes 14a aus der Resonatormitte in Richtung auf die Wandfläche der öffnung 13a. Mit zunehmender Annäherung des Stabes 14a an die Wandfläche vergrößert sich daher der Anteil des restlichen Störwellentyps.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abweichungen von den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich. So kann der erfindungsgemäße Resonator 11 nicht nur in Mikrowellen-Bandpaßfiltern eingesetzt werden, sondern auch in anderen Mikrowellenfiltern, wie Mikrowellenstreifenfiltern und Wellenleiterfiltern, die dielektrische Resonatoren 11 enthalten. Zusätzlich kann auch bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 2 der dielektrische Resonator 11 so modifiziert

•»5 werden, daß er andere als zylindrische Formen hat, oder es können eine oder mehrere zusätzliche öffnungen außer der öffnung 13 vorgesehen sein, in den Stäbe 14 angeordnet sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dielektrischer Resonator mit mindestens einem zylindrischen Block aus dielektrischem Material und einem Stab aus leitfähigem Material, wobei der Stab in das elektrische Feld des Resonators hineinragt und die Energie des von einem Störwellentyp erzeugten elektrischen Feldanteils durch Umsetzung in fließenden Strom im wesentlichen verbraucht, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Block des Resonators (11a, lla, Uc)in einer Stirnseite mindestens eine öffnung (13a, 136, i3c) aufweist, daß die von der öffnung (13a, 136, 13c) aufgespannte Ebene senkrecht zu den elektrischen Feldlinien des Störwellentyps angeordnet ist und daß der Stab (14a, 146, i4c) annähernd senkrecht zu dieser Ebene durch die öffnung (13a, 136, 13ς) hindurchgeht.

2. Dieiektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Stabes (14o\ 146,14ς>kleiner ist als d/\0, wobei dder Durchmesser der Öffnung (13a, 136,13c^ist.