DE19927798A1 - Dieelektrische Resonatorkonfiguration für Mikrowellen-Mehrpol-Bandpaßfilter - Google Patents

Abstract

Es wird eine dielektrische Resonatorkonfiguration beschrieben, die zwei dielektrische Abstandsstücke verwendet, um den dielektrischen Resonator von zwei Endplatten zu trennen. Die Resonatorkonfiguration liefert einen sehr hohen unbelasteten Qualitätsfaktor für eine gemischt elektromagnetische Doppelwelle (HEM¶11delta¶-Welle) und eine starke Abstimmung und Kopplung der HEM¶11delta¶-Welle. Man kann damit eine negative und eine positive Kreuzkopplung zwischen nicht benachbarten Wellen erreichen, und man kann N = 2k (k = 2, 3, 4...)-polige Bandpaßfilter mit quasi elliptischen Eigenschaften verwirklichen. Es ist mit dieser Resonatorkonfiguration auch möglich, eine selbsterhaltende Entladung für Filter, die mit hoher Leistung und Niederdruckgas arbeiten, zu vermeiden und eine bessere Wellentrennung für Mehrkanalfilter zu erreichen.

Description

Gemischte elektromagnetische Wellen (HEM-Wellen) weisen bezüglich der Rotationsachse (z-Achse) in einem zylindrischen dielektrischen Resonator, der innerhalb eines metallischen Abschirmungshohlraumes angeordnet ist, eine Degeneration auf, das heißt, zwei Wellen mit identischer natürlicher Resonanzfrequenz. Die HEM-Welle mit der niedrigsten Resonanzfrequenz ist die HEM_{11 δ}-Welle. Mit Hilfe einer Kopplungsschraube, die in die Abschirmung eingeschoben wird, ist es möglich, die Energie zwischen den zwei HEM_{11 δ}-Wellen zu koppeln, und zu bewirken, daß sich die Energie im Resonator in ein Paar orthogonaler Wellen aufspaltet. Eine solche Kopplung gestattet die Verwirklichung eines zweipoligen Filters mit nur einem Resonator. In konventionellen Resonatorkonfigurationen, bei denen beispielsweise ein zylindrischer dielektrischer Resonator auf einer Bodenplatte angeordnet wird, weist die HEM_{11 δ}-Welle einen niedrigen Leerlaufqualitätsfaktor (Q₀-Faktor) auf. Darüberhinaus ist es schwierig, eine genügend starke Kopplung zwischen der HEM_{11 δ}-Welle und dem Koaxialkabel, das zu einer Meßvorrichtung führt, zu erzielen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine dielektrische Resonatorkonfiguration zu schaffen, mit der es möglich ist, für eine HEM_{11 δ}-Welle einen hohen Leerlaufqualitätsfaktor und eine starke Abstimmung und Kopplung der HEM_{11 δ}-Welle zu erzielen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer dielektrischen Resonatorkonfiguration, bei der der dielektrische Resonator von seinen Endplatten getrennt wird. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem der dielektrische Resonator mit zwei dielektrischen Abstandsstücken an seinen Endplatten befestigt wird.

Mit dieser Resonatorkonfiguration kann für die HEM_{11 δ}-Welle ein sehr hoher Leerlauf-Qualitätsfaktor (Q₀-Faktor), eine starke Abstimmung der HEM_{11 δ}-Welle, eine starke Kopplung zwischen den zwei HEM_{11 δ}-Wellen und eine starke Kopplung zwischen der HEM_{11 δ}-Welle und einem Koaxialkabel oder einer Antenne erzielt werden. Es kann damit auch eine negative und eine positive Kreuzkopplung zwischen den nicht benachbarten Wellen sowohl entlang der Richtung der z-Achse als auch in Richtung der xy-Ebene erzielt werden. Mit diesen Kreuzkopplungen ist es möglich, N = 2k (k = 2, 3, 4, . . .)- polige Bandpaßfilter mit quasi elliptischen Eigenschaften zu erzielen.

Der Aufbau und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration, wobei der dielektrische Resonator durch zwei dielektrische Abstandsstücke von seinen beiden Endplatten getrennt ist;

Fig. 2a die elektrische Feldverteilung in der Meridianebene ϕ = 0° für die HEM_{11 δ}-Welle;

Fig. 2b die magnetische Feldverteilung in der Meridianebene ϕ = 90° für die HEM_{11 δ}-Welle;

Fig. 3 eine schematische Ansicht der Kopplung einer HEM_{11 δ}- Welle mit einem Koaxialkabel und einem Wellenleiter;

Fig. 4a eine schematische Seitenansicht eines quasi­ elliptischen Vierpolfilters mit zwei dielektrischen Resonatoren, die entlang der Hauptachse (z-Achse) angeordnet sind;

Fig. 4b eine Aufsicht auf die gemeinsame Platte mit Öffnungsschlitzen, die für die Kopplung verwendet werden;

Fig. 4c eine Aufsicht auf den oberen Resonator, wobei eine Dual-mode-Abstimmvorrichtung, ein Dual-mode-Koppler und eine Eingangsantenne von der oberen Platte eingeführt werden;

Fig. 4d eine Aufsicht auf den unteren Resonator, wobei die Dual-mode-Abstimmvorrichtung, der Dual-mode-Koppler und eine Ausgangsantenne von der unteren Platte eingeführt werden;

Fig. 5 eine schematische Aufsicht auf ein quasi-elliptisches Vierpolfilter mit zwei dielektrischen Resonatoren, die in der xy-Ebene angeordnet sind;

Fig. 6 eine schematische Aufsicht auf ein quasi-elliptisches Achtpolfilter mit vier dielektrischen Resonatoren, die in der xy-Ebene angeordnet sind;

Fig. 7 eine schematisches Seitenansicht einer dielektrischen Resonatorstruktur, wobei der Kopf eines Abstimmelements innerhalb einer Öffnung, die in den dielektrischen Körper gebohrt wurde, angeordnet ist; und

Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer dielektrischen Resonatorstruktur mit einer Öffnung, die von den Abstandsstücken durch den Resonator im zentralen Teil um deren z-Achse gebohrt wurde.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration. Dabei wird ein dielektrischer Resonator 3 von der oberen Endplatte 4 und der unteren Endplatte 5 eines metallischen Abschirmgehäuses durch zwei dielektrische Abstandsstücke 1 und 2 getrennt. Der dielektrische Resonator 3 besitzt eine 4k-fache (k = 1, 2, . .) Rotationssymmetrie um seine z-Achse, beispielsweise mit horizontalen Querschnitten eines Kreises, eines Quadrates und dergleichen. Am Resonator können einige Modifikationen, wie beispielsweise das Bohren einer Öffnung in den Resonatorkörper vorgenommen werden. Dies wird durch die Bezeichnung einer quasi 4k-fachen Rotationssymmetrie berücksichtigt.

Die Form der Abstandsstücke 1 und 2, das heißt der Querschnitt in der xy-Ebene, ist flexibel. Es ist jedoch vorteilhaft, für das Abstandsstück die gleiche Form wie für den dielektrischen Resonator zu wählen. Am einfachsten können der Resonator und die Abstandsstücke aus einem Stück eines dielektrischen Materials hergestellt werden. Die Form der Gehäusewand 6 ist ebenfalls flexibel. Normalerweise kann man runde Wände oder quadratische Wände oder eine Kombination aus einer runden Wand und einer quadratischen Wand verwenden.

Fig. 2a zeigt die elektrische Feldverteilung in der Meridianebene ϕ = 0° für die HEM_{11 δ}-Welle. Man erkennt aus dieser Feldverteilung, daß sich das stärkste elektrische Feld, das durch dicke Pfeile angedeutet ist, im freien Raum zwischen dem dielektrischen Resonator und der oberen und der unteren Endplatte befindet. Dies bewirkt eine ausreichend starke Kopplung und Abstimmung durch die Verwendung von elektrischen Meßfühlern.

Fig. 2b zeigt die magnetische Feldverteilung in der Meridianebene ϕ = 90° für die HEM_{11 δ}-Welle. Bei dieser Feldverteilung befindet sich das stärkste magnetische Feld innerhalb des dielektrischen Resonators. Das Magnetfeld auf den beiden Endplatten ist relativ schwach. Diese Feldverteilung ergibt für die beiden Endplatten einen sehr niedrigen Verlust. Dies ergibt für das Resonatorgehäuse einen sehr guten Qualitätsfaktor. Dies steht im Gegensatz zu einer konventionellen Resonatorkonfiguration, bei der beispielsweise der dielektrische Resonator direkt auf der unteren Endplatte angeordnet ist. Hierbei befindet sich auf der unteren Endplatte nämlich ein starkes Magnetfeld, was bewirkt, daß die untere Endplatte einen starken Verlust verursacht.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gestaltung, um die HEM_{11 δ}-Welle eines dielektrischen Resonators 11 mit einem Koaxialkabel 12 und einem Wellenleiter 13 zu koppeln. Für die Kopplung mit dem Koaxialkabel wird das Koaxialkabel von der Öffnung, die sich auf der Endplatte öffnet, durch eine Kopplungsantenne 14, die mit dem inneren Leiter des Koaxialkabels verbunden ist, gekoppelt. Für die Kopplung mit dem Wellenleiter wird die untere Endplatte 15 auf der Breitseite 16 des Wellenleiters angeordnet. Eine Öffnung 17 wird im Zentrum der Breitseite 16 vom Wellenleiter durch die untere Endplatte 15 geöffnet. Es wird eine Kopplungsantenne 18 verwendet, um den Resonator mit dem Wellenleiter zu koppeln. Ein dielektrischer Ring 19 wird verwendet, um eine Isolierung zwischen der Kopplungsantenne und der Wand des Wellenleiters auszubilden. Eine dielektrische Schraube 20 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante und einem geringen Verlust wird mit der Antenne 18 verbunden. Sie kann von der Unterseite des Wellenleiters her eingestellt werden.

Für die Verwirklichung von Bandpaßfiltern mit quasi­ elliptischen Eigenschaften sind positive und negative Kreuzkopplungen zwischen nicht benachbarten Wellen notwendig. Die Kreuzkopplung kann durch die erfindungsgemäße Resonatorkonfiguration sowohl entlang der Richtung der z- Achse als auch in der xy-Ebene verwirklicht werden. Die negative oder positive Kreuzkopplung wird durch das Positionieren der Richtung der Wellenpolarisation in derselben oder der entgegengesetzten Richtung beim Koppeln erzielt. Dies wird durch eine passende Anordnung von Eingangs- und Ausgangsantennen und von Dual-mode-Kopplern erreicht. Nachfolgend werden einige Beispiele zur Gestaltung von Bandpaßfiltern mit quasi-elliptischer Antwort angegeben.

Fig. 4a ist eine schematische Seitenansicht eines quasi­ elliptischen Vierpol-Bandpaßfilters, der zwei Resonatoren 21a und 21b verwendet, die entlang der Richtung der z-Achse angeordnet sind. Die Fig. 4b und 4c sind Aufsichten auf die oberen beziehungsweise unteren Resonatoren 21a beziehungsweise 21b. Eine Eingangsantenne 22a und eine Ausgangsantenne 22b werden mit den oberen beziehungsweise unteren Resonatoren gekoppelt. Dual-mode-Koppler 23a und 23b und Dual-mode-Abstimmvorrichtungen 24a und 24b werden von den oberen beziehungsweise unteren Platten für die oberen beziehungsweise unteren Resonatoren eingeführt. Fig. 4d ist die Aufsicht auf die gemeinsame Platte mit den für die Kopplung vorgesehenen Schlitzen 25 und 26. Es können Abstimmelemente 27 und 28 verwendet werden, um die Kopplungskoeffizienten k₂₃ und k₁₄ einzustellen. Da die Richtungen der Wellenpolarisation für die Welle 1 (M1) und die Welle 4 (M4) dieselben sind, so ist k₁₄ negativ.

Fig. 5 ist die schematische Aufsicht auf einen quasi­ elliptischen Vierpol-Bandpaßfilter mit zwei Resonatoren 31a und 31b, die in der xy-Ebene angeordnet sind. In dieser Anordnung ist die Wellenpolarisation in einer Richtung von 45° in Bezug auf die Mittellinie der gemeinsamen Seitenwand angeordnet, was es möglich macht, eine Kreuzkopplung zu erzielen. Die negative Kreuzkopplung k₁₄ wird durch die in Fig. 5 gezeigte Anordnung der Eingangsantenne 32a und der Ausgangsantenne 32b und der Dual-mode-Koppler 33a und 33b erzielt.

Fig. 6 ist die schematische Aufsicht auf einen quasi­ elliptischen Achtpol-Bandpaßfilter mit vier Resonatoren, die in der xy-Ebene angeordnet sind. Drei Kreuzkopplungen (k₃₆, k₂₇ und k₁₈) werden bei dieser Gestaltung eingeführt. Bei diesen Kreuzkopplungen sind k₃₆ und k₂₇ negativ und k₁₈ ist positiv.

In einem Gas niedrigen Druckes kann beim Anlegen eines hochfrequenten elektrischen Feldes eine selbsterhaltende Entladung auftreten, wenn das angelegte Feld stark genug ist, daß es Sekundärelektronen aussendet, und wenn die ausgesendeten Sekundärelektronen zwischen den aussendenden Elektroden in Resonanz mit dem angelegten Feld vor und zurück springen. Wenn der dielektrische Resonator für Anwendungen bei hoher Leistung im Vakuum oder einer Atmosphäre niedrigen Druckes verwendet werden soll, so müssen solche selbsterhaltenden Entladungen vermieden werden. Mit der erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration kann eine solche selbsterhaltende Entladung leicht vermieden werden. Das Prinzip ist in Fig. 7 dargestellt. Dort wird der Kopf eines Abstimmelements oder einer Antenne 42, nachdem die Abstimmung durchgeführt wurde, in einer Öffnung 41, die in den dielektrischen Resonatorkörper gebohrt wurde, angeordnet. Das elektrische Feld innerhalb des dielektrischen Körpers ist viel geringer als das der beiden Enden des dielektrischen Resonators.

Ein anderer wichtiger Punkt bei der Anwendung von Filtern, ist, insbesondere für Mehrkanalfilter, die Wellentrennung. Es ist notwendig, alle unerwünschten Resonanzfrequenzen in allen Kanalfiltern außerhalb des Betriebsfrequenzbandes zu halten. Um dies zu erzielen, muß man gewöhnlicherweise die unerwünschten Resonanzfrequenzen so weit wie möglich von der Arbeitsresonanzfrequenz weg schieben. Dies kann mit der erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration ebenfalls erzielt werden.

Die benachbarten Wellen der HEM_{11 δ}-Welle in der erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration sind die TE_{01 δ}-Welle auf der Seite der niedrigeren Frequenz und die HEM_{12 δ}-Welle auf der Seite der höheren Frequenz. Es wurde ermittelt, daß die Stärken des elektrischen Feldes für die TE_{01 δ}-Welle HEM_{11 δ}- Welle und die HEM_{12 δ}-Welle im Zentrum des Resonators ziemlich verschieden sind. Das elektrische Feld ist für die TE_{01 δ}-Welle sehr schwach, nicht sehr stark für die HEM_{11 δ}- Welle und sehr stark für die HEM_{12 δ}-Welle im Zentrum des Resonators. Somit ändert das Entfernen eines Zylinderstopfens 51 aus dem Zentrum des Resonators und der Abstandsstücke, wie das in Fig. 8 dargestellt ist, die Resonanzfrequenz dieser drei Wellen auf unterschiedliche Art. Die Resonanzfrequenz der TE_{01 δ}-Welle bleibt nahezu unverändert. Eventuell tritt ein sehr geringfügiger Anstieg auf. Bei der HEM_{11 δ}-Welle tritt dagegen ein mäßiger Anstieg auf. Und bei der HEM_{12 δ}- Welle tritt ein großer Anstieg auf.

Claims (11)

1. Dielektrische Resonatorkonfiguration für Mikrowellen- Mehrpol-Bandpaßfilter mit einem dielektrischen Resonator (3) in einem metallischen Abschirmgehäuse, das obere und untere Endplatten (4 und 5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Resonator (3) von den Endplatten ge­ trennt ist.

2. Dielektrische Resonatorkonfiguration nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Trennung des dielektrischen Resonators (3) von den Endplatten (4 und 5) durch dielektrische Abstandsstücke (1 und 2) erfolgt.

3. Dielektrische Resonatorkonfiguration nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Abstandsstücke (1 und 2) eine dielek­ trische Konstante aufweisen, die zwischen 1 und dem Wert der dielektrischen Konstante des dielektrischen Resonators liegt.

4. Dielektrische Resonatorkonfiguration nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Resonator (3) und die dielektrischen Abstandsstücke (1 und 2) aus einem Stück eines dielektrischen Materials hergestellt sind.

5. Dielektrische Resonatorkonfiguration für Mikrowellen- Mehrpol-Bandpaßfilter mit einem dielektrischen Resonator (3) in einem metallischen Abschirmgehäuse, das obere und untere Endplatten (4 und 5) aufweist, für eine strenge Abstimmung einer Dualmode, eine starke Kopplung zwischen einer Dualmode und einer Antenne (14), die mit einem Koaxialkabel (12) oder mit einem Wellenleiter (13) verbunden ist, oder eine starke Kopplung zwischen den zwei Moden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dualmode-Abstimmvorrichtung, die Antenne oder ein Dualmode-Koppler im offenen Raum zwischen dem dielektrischen Resonator und den Endplatten plaziert wird, dort wo ein star­ kes elektrische Feld existiert.

6. Dielektrische Resonatorkonfiguration für Mikrowellen- Mehrpol-Bandpaßfilter mit einem dielektrischen Resonator (3) in einem metallischen Abschirmgehäuse, das obere und untere Endplatten (4 und 5) aufweist für eine Kopplung zwischen dem dielektrischen Resonator (3) und einem Wellenleiter (13), dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des dielektrischen Resonators mit seiner un­ teren Endplatte auf der Oberseite der Breitseite des Wellen­ leiters (13) plaziert und eine Kopplungsantenne (18) durch eine Öffnung (17) im Zentrum der Breitseite des Wellenleiters (13) durch die Endplatte verwendet wird.

7. Dielektrische Resonatorkonfiguration für Mikrowellen- Mehrpol-Bandpaßfilter mit zwei dielektrischen Resonatoren (21a und 21b) in einem metallischen Abschirmgehäuse für eine negative/positive Kreuzkopplung nicht benachbarter Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Wellenpolarisierung oder einer Teilkom­ ponente der Wellenpolarisierung in derselben oder in der ent­ gegengesetzten Richtung bei der Kopplung durch eine passende Positionierung einer Eingangsantenne (22a) und einer Aus­ gangsantenne (22b) und einer Doppelwellenabstimmvorrichtung (24a, 24b) erzielt wird.

8. Dielektrische Resonatorkonfiguration für Mikrowellen- Mehrpol-Bandpaßfilter mit einem dielektrischen Resonator (3) in einem metallischen Abschirmgehäuse, das obere und untere Endplatten (4 und 5) aufweist, für eine negative/positive Kreuzkopplung zwischen dem dielektrischen Resonator (3) und einem Wellenleiter (13) in Richtung der Hauptachse (z-Achse) des Resonators und des Wellenleiters, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse in einer gemeinsamen Grundplatte des dielek­ trischen Resonators (3) und des Wellenleiters (13) Schlitze (25, 26) in Richtung der Wellenpolarisation aufweist.

9. Dielektrische Resonatorkonfiguration für Mikrowellen- Mehrpol-Bandpaßfilter mit einem dielektrischen Resonator (3) in einem parallelen Plattenkondensator und einem metallischen Abschirmgehäuse, das obere und untere Endplatten (4 und 5) aufweist für die Verwendung in Filtern hoher Leistung in ei­ ner Umgebung mit Vakuum oder niedrigem Druck, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kopf oder eine Oberfläche eines Abstimmelements oder einer Antenne (42) innerhalb des Resonators angeordnet oder durch Öffnungen (41), die im den Körper des dielektrischen Resonators (3) ausgebildet sind, eingeschoben wird.

10. Dielektrische Resonatorkonfiguration nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß für die Trennung von HEM_{11 δ} Doppelwellen von benachbarten Wellen ein Teil des dielektrischen Materials um die Hauptach­ se (z-Achse) des Resonators und der Abstandsstücke entfernt wird.

11. Dielektrische Resonatorkonfiguration nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Verwendung findet bei der Verwirklichung von Mikro­ wellen-Mehrpol-Bandpaßfiltern mit quasi elliptischen Eigen­ schaften auf der Basis von HEM_{11 δ} Doppelwellen.