DE4316334A1 - Dielektrischer Resonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft dielektrische Resonatoren, wie sie bei Filtern und für die Frequenzstabilisierung bei Oszillatoren Anwendung finden, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Güte der in herkömmlicher Technik bzw. mit den üblichen Materialien erzeugten Resonatoren ist verhältnismäßig gering. So werden bei Hohlraumresonatoren und bei dielektrischen Resonatoren mit Keramik-Körper im Dezimeterwellen-Bereich maximal Gütewerte von Q₀ = 20 000 erzielt. Diese Werte sind nach heutigem Standard unzureichend, wenn z. B. hochselektive, steilflankige Filter für Mobilfunknetze mit den Betriebs­ frequenzen 0,9 oder 1,8 GHz aufgebaut werden sollen, bzw. es ist mit sehr hohen Einfügungsdämpfungen zu rechnen. Damit wird die Kapazität des Netzes, d. h. die Zahl der möglichen Kanäle im zur Verfügung stehenden Gesamt- Frequenzbereich, unnötig reduziert.

Bei der Frequenzstabilisierung von Oszillatoren führt eine zu geringe Güte des Resonators zu Phasenrauschen, dessen Stärke sich reziprok zu der Resonatorgüte verhält.

Das Phasenrauschen des Oszillators beeinträchtigt und begrenzt seinerseits die Dynamik von Empfängern, denn mit dem Oszillatorsignal wird das Empfangssignal gemischt. So sind aufwendige Quarzoszillatoren bei niedrigen Frequenzen und nachfolgende Vervielfacherschaltungen erforderlich, will man ein weitgehend phasenrauscharmes Signal gewährleisten.

Eine wirkungsvolle Erhöhung der Resonatorgüte wird durch Anwendung der Supraleitung erzielt.

So wird in der DE-OS 39 23 439 ein kreiszylindrischer Hohlraumresonator beschrieben, bei dem die Endflächen aus einer auf ein Substrat aufgewachsenen Schicht eines Hochtemperatur-Supraleiters bestehen. Mit der Anordnung wurden für eine Resonanzfrequenz von 86 GHz unter speziellen Bedingungen Gütewerte bis über 100 000 erzielt.

Hochtemperatur-Supraleiter bieten gegenüber den bisherigen supraleitenden Materialien den Vorteil des geringeren Kühlungsaufwands. Andererseits ist es noch nicht möglich, die neuen keramischen Stoffe auf gekrümmte Flächen aufzubringen. So mußte für die Mantelfläche der Anordnung nach OS 39 23 439 ein Normalleiter verwendet werden.

Ebenso ist die Flächengröße der planen supraleitenden Schicht begrenzt. Bisher werden Flächen mit einem Seiten- oder Achsmaß von maximal 50 mm erreicht.

Damit ist die Anwendung der Hochtemperatur-Supraleiter bei Resonatoren erst bei Nutzfrequenzen oberhalb etwa 5,6 GHz möglich.

Als ein Versuch, die unter den gegenwärtigen Bedingungen erzielbaren Labor-Höchstwerte der Resonanzgüte zu ermitteln, kann die in [1] beschriebene Arbeit gewertet werden. In einem Hohlzylinder mit HT_c-supraleitenden End- und normalleitenden Mantelflächen ist, zur Ausbildung eines dielektrischen Resonators, ein Saphir-Zylinder als dielektrischer Körper angeordnet. Die beiden Gehäuse- Endflächen sind durch Federdruck, ohne Abstand aufliegend direkt gegen die Stirnflächen des Saphir-Zylinders gepreßt, und der umgebende Raum im Gehäuse ist evakuiert. Saphir ist ein extrem verlustarmes Dielektrikum, und durch die supraleitenden Endflächen und die Minimierung der Mantel­ fläche aus dem normalleitenden Material (Gehäusehöhe gleich Höhe des Saphirzylinders) wurden auch die Gehäuseverluste verringert. Mit dieser Anordnung wurden für eine Resonanz­ frequenz von 5,55 GHz Gütewerte von 2×106 bei 90 K, 3×10⁶ bei 80 K und 1,4×10⁷ bei 4,2 K gemessen.

Abgesehen davon, daß die Begrenzung des nutzbaren Frequenz­ bereichs nach unten auch für diesen Aufbau gilt, ist es fraglich, ob die extremen Gütewerte in der Praxis wirklich in angemessenem und größerem Umfang wirtschaftlich genutzt werden können bzw. ob Resonatoren mit diesem Aufbau und diesen Parametern - über spezielle Anwendungsfälle hinaus - unter Berücksichtigung des dabei erforderlichen Aufwands vom Praktiker tatsächlich favorisiert werden.

Wenn auch die Anforderungen an die Kühlung beim Einsatz von HT_c-Supraleitern geringer als bei den herkömmlichen Supraleitern sind, wird man doch auch hier nicht auf mehr oder weniger aufwendige Kühleinrichtungen verzichten können, will man in der Praxis Betriebssicherheit auf Dauer gewährleisten. Das bedeutet zusätzliche Investitions- und Betriebskosten und Kosten für Überwachung und Wartung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung von Saphir, aber ohne Einsatz von Supraleitern, einen dielektrischen Resonator zu konzipieren, dessen Güte in signifikantem Maß über der Güte herkömmlicher Resonatoren liegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Mitteln gelöst.

Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsdetails und -varianten.

Auf Grund der Verwendung von Saphir als Dielektrikum an Stelle der dem Stand der Technik entsprechenden Keramik wird die Güte des Resonators im wesentlichen durch die Verluste auf den Innenflächen des Gehäuses bestimmt.

Bei der in [1] beschriebenen Anordnung ergibt sich die Gehäuse-Innengeometrie zwangsläufig aus den angewendeten technischen Mitteln: Der Durchmesser resultiert aus der technologisch maximal realisierbaren Fläche der HT_c- Supraleiter-Schicht, und die normalleitende Mantelfläche wurde über die Gehäusehöhe auf das geringstmögliche Maß reduziert.

Mit dem begrenzten Endflächen-Querschnitt ist gleichzeitig die recht hohe untere Grenze des nutzbaren Frequenzbereichs vorgegeben.

Bei einem Verzicht auf die supraleitenden Endflächen ist das Prinzip der Gehäuseflächen-Minimierung nicht anwendbar.

Durch die erfindungsgemäßen Merkmale und Maßnahmen wurden die Grundlagen für die optimale Auslegung der Gehäusegeometrie, bei Vorgabe eines quasi verlustlosen dielektrischen Körpers und unabhängig von der Höhe der Betriebsfrequenz, geschaffen. Die Güte der erfindungsgemäßen Resonatoren beträgt z. B. für den 1,8-GHz-Resonator 200 000 und ist beim 900-MHz-Resonator 270 000.

Es ist möglich, für beliebige, etwa entsprechend den jeweiligen praktischen Gegebenheiten zulässige niedrigere Gütewerte geringere Gehäuseabmessungen festzulegen - die dann jedoch ebenfalls Optima im Rahmen der Erfindung darstellen - und damit Aufwand und Ergebnis zu relativieren.

In jedem Fall bleibt der wesentliche Vorteil der Erfindung erhalten, daß trotz Verzichts auf die Anwendung und die Möglichkeiten der Supraleittechnik eine Verbesserung der Resonanzgüte um mindestens eine Zehnerpotenz erzielt wird.

Die Güte ist ausreichend hoch, um mit vertretbarem Aufwand den Aufbau hochselektiver, steilflankiger Filter mit geringer Einfügungsdämpfung zu gewährleisten. So ist bei Mobilfunk­ netzen oder anderen Funknetzen eine Erhöhung der Netz­ kapazität möglich, da die Frequenzlücken zwischen den Nutzsignalkanälen verringert werden können. Des weiteren können nunmehr auch Meßsysteme realisiert werden, bei denen eine Trennung von dicht beieinander liegenden Signalen erforderlich ist, z. B. Einrichtungen zur Intermodulations­ messung mit hohem Dynamikbereich. Filter mit supraleitenden Komponenten waren für diese Zwecke wegen der geringen Linearität der Supraleiter nicht geeignet.

Bei der Erzeugung von phasenrauscharmen Signalen - z. B. im Dezimeterwellen-Bereich - kann auf die bisher notwendigen Quarzoszillatoren und Vervielfacherschaltungen verzichtet werden. Das Signal kann direkt bei der gewünschten Mischfrequenz generiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert, in den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 Maßverhältnisse bei einem erfindungsgemäßen dielektrischen Resonator,

Fig. 2. Halterung des dielektrischen Körpers mit monolithisch angeformten Halteelementen

• a) axiale Halterung
• b) radiale Halterung

Fig. 3 Halterung des dielektrischen Körpers über Formteile aus einem geschäumten Dielektrikum mit hohem Luftanteil,

Fig. 4 Frequenzabstimmung,

Fig. 5 Einfluß des Gehäusevolumens V auf die Güte Q des Resonators,

Fig. 6 Erforderliche Mindestgüte (Bauelementegüte) von Resonatoren zum Aufbau von mehrkreisigen Filtern in Abhängigkeit von der relativen Bandbreite nach [2],

Fig. 7 Güte in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz - Vergleich der erfindungsgemäßen Resonatoren mit dem Stand der Technik.

Fig. 1 dient der Erläuterung der Maßverhältnisse, wie sie sich aus den erfindungsgemäßen Näherungsgleichungen ergeben. Diese Maßverhältnisse gewährleisten eine Minimierung der Gehäuseverluste über den gesamten Bereich der möglichen Nutzfrequenzen.

Vom zylindrischen Gehäuse 1 sind die Innenabmessungen mit A für den Radius und H für die Höhe angegeben. Der dielek­ trische Körper 2, ebenfalls zylindrisch, hat den Radius a und die Höhe h.

Es folgen Beispiele für dielektrische Resonatoren mit Saphir als Dielektrikum, die gemäß der Erfindung angefertigt wurden. Die für die verschiedenen Frequenzen angegebenen Gütewerte wurden in Versuchsmessungen ermittelt.

Die Halterung 3 für den Saphir 2 in Fig. 1 wird ebenfalls aus weitgehend verlustarmem Dielektrikum ausgeführt, z. B. Polystyrol oder Quarzglas. Sie kann in herkömmlicher Weise aus einem Bolzen bestehen, der durch eine zentrische Bohrung im dielektrischen Körper 2 geführt ist, und der Saphir ruht auf einem Absatz 4 und wird an der gegenüberliegenden Stirn­ seite mit einer Mutter 5 o. ä. gesichert.

In Fig. 2 und 3 werden Anordnungen gezeigt, die in Weiterführung des der Erfindung mit zugrunde liegenden Gedankens der komplexen Verlustminimierung entworfen wurden: Bei den Varianten nach Fig. 2 werden der dielektrische Körper und die Halterung als ein monolithisches Komplett-Teil aus Saphir gefertigt. Unter bestimmten Bedingungen kann man den Einkristall in einer entsprechenden Form wachsen lassen, so daß kaum Nacharbeiten erforderlich sind.

Fig. 2a zeigt einen Saphirkörper 2 mit koaxialen stabartigen Fortsetzungen 6, und Fig. 2b zeigt eine flanschartige Ausbildung 7 in z. B. halber Höhe des Körpers 2.

Wenn die Flanschdicke 1/10 der Resonanzfrequenz nicht über­ steigt, wird der Teilungsschlitz im Gehäuse zur Aufnahme des Halterungsflansches 7 vom elektromagnetischen Feld nicht erkannt und bleibt ohne Einfluß auf Betriebsverhalten und -werte des Resonators.

In Fig. 3 ist eine Halterung mit Formteilen 8 aus einem Material mit niedriger relativer Dielektrizitätskonstante und sehr geringen dielektrischen Verlusten dargestellt. Die Formteile 8 müssen ausreichend dimensioniert sein, um den Saphirkörper 2 zu halten und in seiner Lage dauerhaft zu fixieren; mit den Auflagen an den Gehäuse-Endflächen dienen sie gleichzeitig zur Zentrierung der Anordnung im Gehäuse 1. Der durch die Formteile gegebene Anteil an Dielektrikum im Gehäuse kann durch geeignete Aussparungen an den Formteilen gering gehalten werden.

Die Lösung kann ohne Schwierigkeiten und kostengünstig realisiert werden und stellt eine Vorstufe zur vollständigen Füllung des Gehäuses mit einem den Saphir umschließenden Dielektrikum dar.

Fig. 4 zeigt schematisch eine besonders günstige, verlust­ arme Lösung für die Frequenzabstimmung. Ein Bolzen 9 aus Dielektrikum, vorzugsweise ebenfalls Saphir, wird in der zentrischen Bohrung 10 im Saphirkörper 2 verschoben. Dabei bietet sich an, die Halterung nach Fig. 2a mit diesem Abstimmungs-Prinzip zu kombinieren: Der Saphirkörper 2 ruht auf einem angewachsenen Stab über einer Endfläche des Gehäuses, und auf der anderen Seite ragt der Saphirbolzen 9 in ein zentrisches Sackloch im Saphirkörper 2 und stellt gleichzeitig eine Sicherung gegen radiale Kräfte dar.

Fig. 5 verdeutlicht die Zusammenhänge zwischen dem Gehäuse­ volumen und der Güte, hier für eine Frequenz von 900 MHz. Dabei entsprach in den Versuchsreihen ein Volumen von 3 dm³ einem Gehäusedurchmesser von 170 mm und ein Volumen von 19 dm³ einem solchen von 300 mm.

Selbst bei einer wesentlichen Unterschreitung der als optimal gefundenen Maßverhältnisse von Gehäuse und Saphirkörper ist noch eine Güte von 100 000, d. h. das fünffache des mit den herkömmlichen Anordnungen erreichten Werts, gewährleistet. Eine Güte von 100 000 ist gleich dem Wert, der für den Aufbau von Mehrkreisfiltern als Bauelemente- bzw. Mindestgüte bei einer relativen Kanal-Bandbreite von 0,01% gefordert wird (Fig. 6). Die 0,01% entsprechen z. B. bei einem Funknetz im 1,8 GHz-Bereich der geforderten Kanal-Bandbreite von 200 kHz. Für den Bereich 900 MHz entsprechen die 200 kHz einer relativen Bandbreite von 0,02%.

Das Diagramm in Fig. 6 sagt aus, daß die für den Aufbau ausreichend kanalselektiver Filter z. B. für moderne Mobilfunknetze erforderliche Güte mit den herkömmlichen dielektrischen Filtern nicht erreicht wird; mit den Resonatoren gemäß der vorliegenden Erfindung werden Parameter erzielt, mit denen die Anforderungen ohne Schwierigkeiten erfüllt und überschritten werden können.

Das in Fig. 6 gezeigte Diagramm wurde an Hand der Formel­ darstellungen und Werte in den Abschnitten
Filtergüte und Verlusteinfluß (F4; d.A.) und Filtercharakteristika normierter Standardtiefpässe (F6f; d.A.) in [2]
aufgestellt.

In Fig. 7 werden abschließend Meßkurven der Güte in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz gezeigt, die mit herkömmlichen dielektrischen Resonatoren auf keramischer Basis (Kurve 1) und, im Vergleich dazu, mit den erfindungs­ gemäßen Resonatoren (Kurve 2) aufgestellt wurden. Die Grafik spricht für sich. Hier wird nochmals demonstriert, welche gravierenden Verbesserungen durch die Erfindung gelungen sind.

Literatur

[1] Shen, Z.-Y., et al.: High T_c superconductor-sapphire microwave resonator with extremely high Q-values up to 90 K. IEEE MTT-S Digest, 1992.

[2] Meinke/Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Vierte Auflage. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1986.

Claims (6)

1. Dielektrischer Resonator für Frequenzen im Dezimeter­ wellen-Bereich und darüber, mit einem zylindrischen dielektrischen Körper aus Saphir, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - das Verhältnis der Höhe H des Gehäuses (1) zur Höhe h des dielektrischen Körpers (2) ist
  H : h = 5 : 1 bis 6 : 1
  und das Verhältnis des Gehäusehalbmessers A zum Radius a des dielektrischen Körpers (2) ist
  A : a = 2,5 : 1 bis 3 : 1,
  wobei die optimalen Maße und Maßverhältnisse des Resonators in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz f [Hz] in guter Näherung nach den Gleichungen
  a = 5 10⁷/f [m]
  A = 2,76 a
  h = 0,9 a
  H = 1,8 A
  zu ermitteln sind,
• - zur Positionierung des Saphirkörpers (2) im Gehäuse (1) dienen Halteelemente (3, 6, 7, 8) aus verlustarmem dielektrischem Material, vorzugsweise aus Saphir, wobei die aus Saphir bestehenden Halteelemente (6, 7) mit dem Saphirkörper (2) ein monolithisches Komplett-Teil bilden.

2. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltelemente aus Saphir als beidseitig über die Endflächen des Saphirkörpers (2) koaxial hinausragende Stäbe (6) ausgebildet und mit ihren Endbereichen in den Endflächen des Gehäuses (1) ein­ gespannt sind.

3. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halteelement aus Saphir als flanschartige Fortsetzung (7) in halber Höhe des Saphirkörpers (2) ausgebildet und in eine umlaufende Teilungsfuge des Gehäuses (1) eingespannt ist, wobei die Flanschdicke d kleiner 1/10 der Resonanzfrequenz f ist.

4. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Saphirkörper (2) in eine dielektrische Füllung des Gehäuses mit niedriger relativer Dielektrizitätskonstante und sehr niedrigen dielektrischen Verlusten eingebettet ist oder von Formteilen (8) aus einem solchen Material fixiert und gehalten wird.

5. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Saphirkörper (2) in eine dielektrische Füllung eingebettet ist, deren Außenkonturen den Innenabmessungen des Gehäuses (1) entsprechen und deren gesamte äußere Oberfläche metallisiert ist, wobei die Metallisierung an die Stelle des Gehäuses tritt.

6. Dielektrischer Resonator nach Anspruch 1 und 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine zentrische Bohrung (10) oder ein Sackloch im Saphirkörper (2) und einen Bolzen (9) aus verlustarmem Dielektrikum, vorzugsweise Saphir, wobei der Bolzen (9) in der Bohrung (10) oder dem Sackloch zur Fein­ abstimmung der Resonanzfrequenz axial verschiebbar ist.