DE68911333T2 - Filter mit einem dielektrischen Resonator. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Filter mit dielektrischem Resonator.
• Ein solches Filter basiert auf den folgenden drei Prinzipien:
• - Benutzung der Wellentypen des abgeschirmten dielektrischen Resonators;
• - Wiederbenutzung der traditionellen Methoden zum Anregen und Koppeln von Wellentypen, insbesondere mit Hilfe von:
• * Justierschrauben, die auf das elektrische Feld einwirken;
• * Irisblenden zum Koppeln über das magnetische Feld.
• Ein in "Electronics Letters", Bd. 16, Nr. 17, vom 14. August 1980, Seiten 646 - 647 mit der Bezeichnung "Dielectric resonator dual modes filter" von P. Guillon, Y. Garault und J. Farenc erschienene Aufsatz beschreibt einen abgeschirmten dielektrischen Resonator zylindrischer Form, in dem sich mehrere degenerierte Wellentypen mit identischen natürlichen Frequenzen ausbreiten können. Diese degenerierten Wellentypen können miteinander gekoppelt sein und bilden Kreise, indem sie die geometrische Konfiguration der Struktur stören. Man kann so eine Störung der Frequenz des Wellentyps TE01p mit Hilfe einer Justierschraube und eines dielektrischen Zweimodenfilters erzielen, das zwei Wellenmodi HE&sub1;&sub1;&sub1; des senkrecht polarisierten Resonators benutzt.
• Eine europäische Patentanmeldung 0 064 799 beschreibt ein keramisches Resonatorelement in einem Hohlraum, das einen zusammengesetzten Mikrowellenresonator bildet. Zwei Abstimmschrauben, die im Hohlraum in Richtung orthogonaler Achsen angeordnet sind, ermöglichen es, die Abstimmung der Einrichtung entlang dieser Achsen bei Frequenzen durchzuführen, die nahe der Grundresonanzfrequenz des Resonatorelementes liegen. Mehrere Hohlräume dieses Typs können zur Bildung eines Wellenleiters unter Benutzung mehrerer Quertrennwänden zusammengebaut werden. Die Kopplung zwischen diesen verschiedenen Hohlräumen kann dann mit Hilfe einfacher Schlitze, mithilfe zweier Schlitze in Kreuzform oder mithilfe kreisförmiger Blenden bewirkt werden. In jedem Hohlraum ist eine Justierschraube in einer um 45º gegen die orthogonalen Abstimmschrauben verlaufenden Achse angeordnet, derart, daß die Resonanz entlang einer der orthogonalen Achsen mit der Resonanz entlang der anderen Achse gekoppelt ist.
• Diese Dokumente des Standes der Technik machen indes keinerlei genaue Angaben über:
• - die Position des Resonators im metallischen Hohlraum,
• - die Werkstoffe, die für den Hohlraum, die Einstellvorrichtungen und das Haltesystem für den Resonator verwendet werden;
• - das Prinzip der Halterung des dielektrischen Resonators im Hohlraum.
• So offenbart das Dokument GB-A-882 408 ein Filter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dort wird ein Resonator zwischen drei Füßen aus dielektrischem Material gehalten, welche eine Halterung zwischen drei Spitzen bewirken, die nicht in der Lage ist, hohe Beschleunigungen aushalten und eine präzise Einstellung zu ermöglichen. Dies wird auch nicht durch die Futtervorrichtung gemäß dem Dokument JP-A-57 194 363 erreicht, bei dem der Resonator nur durch sein eigenes Gewicht gehalten wird.
• In anderen Dokumenten des Standes der Technik werden einige Einzelheiten über die für den Hohlraum verwendeten Werkstoffe mitgeteilt:
• - Verwendung von Invar- und Kohlenstoffasern; oder
• - Verwendung anderer Werkstoffe, deren Ausdehnungskoeffizienten im Betrieb kompensiert werden.
• Was das Haltedielektrikum anbetrifft, werden nur wenige genaue Lösungen angegeben, beispielsweise:
• - isolierende Werkstoffe mit geringen Verlusten in Form von Stützen oder Kissen (Polystyrol oder PTFE - Polytetrafluoräthylen, Schaumstoffe).
• Ziel der Erfindung ist es, die verschiedenen angesprochenen Probleme der Herstellung dieser Filter zu lösen und zugleich die Kennlinien der Filter mit dielektrischen Resonatoren im Bandbereich nahe der Resonanz und im Breitbandbereich optimieren zu können.
• Hierzu schlägt die Erfindung ein Filter mit einem dielektrischem Resonator vor, das mindestens einen zylindrischen Hohlraum aufweist, in dem sich ein zylindrischer Resonator befindet, dessen Symmetrieachse in derjenigen des Hohlraums verläuft, wobei dieser Resonator im Inneren des Hohlraums durch mindestens zwei Befestigungsfüße aus dielektrischem Material in einer unsymmetrischen Längsposition gehalten wird, wobei eine dieser Befestigungen ein Spiel relativ zum Hohlraum ermöglicht, und wobei der Resonator aus dielektrischem Material von einem Futtersystem bestehend aus drei zylindrischen Teilen gehalten wird, nämlich
• - einem ersten Teil, das an einem ersten Längsende in einer konischen Innenfläche und an seinem zweiten Ende in einer mit Gewinde versehenen Innenfläche endet;
• - einem zweiten Teil, das innerhalb des ersten Teils beweglich angeordnet ist und dessen äußere geneigte Fläche an der konischen Innenfläche gleiten kann;
• - einem Gewindeteil, das in die mit Gewinde versehene Innenfläche des ersten Teils eingreift;
• wobei das erste Teil die Befestigungsfüße aufweist, die an der Wand des Hohlraumes durch Schrauben aus dielektrischem Material befestigt sind.
• Ein solches Filter besitzt zahlreiche Vorteile:
• - es ermöglicht einen ausreichenden Frequenzabstand zwischen beispielsweise dem Wellenmodus HE1,1,δ und den anderen Wellenmodi, derart, daß ein recht breites, von parasitären Wellenmodi freies Band erzielt wird;
• - die Abmessungen der Kopplungsschlitze bleiben gering, was die parasitären Kopplungen stark vermindert;
• - die Herstellung von Filtern mit mehr als zwei Modenstrukturen wird ermöglicht.
• Vorteilhafterweise bestehen das Futtersystem und die Schrauben aus dielektrischem Material, wobei der Hohlraum sowie jede Blende aus versilbertem Aluminium bestehen.
• Diese Merkmale ermöglichen:
• - die Optimierung des Überspannungskoeffizienten (kein Material mit Verlusten in den kritischen Zonen),
• - die Erzielung eines Temperaturstabilitätskoeffizienten von etwa 4 ppm/ºC (ppm oder millionstel Anteile), was durch Verwenden eines dielektrischen Resonators mit -4 ppm/ºC kompensiert werden kann.
• Weiter kann man bei einem solchen Filter zylindrische Resonatoren ohne spezifische Bearbeitung verwenden, wobei dieses Futtersystem den Vorteil besitzt, unabhängig von der Länge der Hohlräume und Resonatoren immer gleich ausgebildet zu sein, was ein wichtiger herstellungstechnischer Vorteil ist, wenn man beispielsweise eine große Anzahl von Kanälen (Multiplexern) verwendet.
• Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen im übrigen aus der nachfolgenden, beispielshalber und ohne Beschränkungsabsicht abgefaßten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor.
• Fig. 1 zeigt schematisch das Filter gemäß der Erfindung im Längsschnitt entlang der Ebene I-I der Fig. 2;
• Fig. 2 zeigt schematisch das Filter gemäß der Erfindung im Querschnitt entlang der Ebene II-II der Fig. 1;
• Fig. 3 zeigt schematisch ein Detail einer Ausführungsform des Filters gemäß der Erfindung; und
• Fig. 4 stellt eine Frequenzkennlinie einer besonderen Ausführungsform des Filters gemäß der Erfindung dar.
• Wie Fig. 1 zeigt, besteht das Resonanzfilter gemäß der Erfindung aus einem zylindrischen Hohlraum 10, in dem sich ein zylindrischer, dielektrischer Resonator 11 befindet, dessen Symmetrieachse Δ in derjenigen des Hohlraumes 10 verläuft.
• Dieser Resonator 11 nimmt hier im Inneren des Hohlraumes 10 eine unsymmetrische Position ein.
• Der Hohlraum 10 wird beispielsweise durch zwei Blenden 14 und 15 abgeschlossen.
• Der Resonator 11 wird im Hohlraum 10 durch ein Futtersystem 16 gehalten, das seinen zylindrischen Abschnitt umspannt.
• Wie in Fig. 2 dargestellt, ist dieses Futter an der Innenwand 17 des Hohlraumes durch drei um 120º gegeneinander versetzte Füße 18, 19 und 20 befestigt, von denen der Fuß 18 an der Wand 17 befestigt ist, während die beiden anderen Füße 19 und 20 aufgrund der elastischen Dichtungen 22 und 23, ein Bewegungsspiel zwischen der Wand 17 und dem Futtersystem 16 ermöglichen, das die Aufnahme aller durch differentielle Dehnungen verursachten radialen Belastungen erlaubt.
• Vorteilhafterweise können die drei Füße 18, 19 und 20 identisch ausgebildet sein.
• In dem in Fig. 3 ausschnittsweise dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Futter 16 aus drei zylindrischen Teilen bestehen, nämlich
• - einem ersten Teil 25, das an seinem ersten längsgerichteten Ende in einer konischen Innenfläche 26, und an seinem zweiten Ende in einer mit Gewinde versehenen Innenfläche 27 endet;
• - einem zweiten Teil 28, das im Inneren des ersten Teils 25 beweglich angeordnet ist und dessen äußere geneigte Fläche 29 an der konischen Fläche 26 gleiten kann; und
• - einem Gewindeteil 30, das in die mit Gewinde versehene Fläche des ersten Teils 25 eingreift.
• Das erste Teil enthält drei mit Innengewinde versehene äußere Ansätze, die um 120º gegeneinander versetzt sind und in die drei Schrauben 31, 33 und 37 eingeschraubt werden können, die sich jeweils auf einer metallischen Unterlegscheibe 38 (39, 40) abstützen, die auf einer Dichtung 21 (22 oder 23) ruht, wodurch die Wärmedehnung der das Filter bildenden Werkstoffe kompensiert werden kann. In Fig. 3 wurde nur eine (31) der drei Schrauben 31, 33, 37 dargestellt, die in einen mit Gewinde versehenen Ansatz 32 eingeschraubt ist und auf einer Unterlegscheibe 38 aufliegt.
• Wenn man das Gewindeteil 30 in den mit Gewinde versehenen Abschnitt des ersten Teils 25 einschraubt (34), verschiebt sich (35) die schräge Fläche 29 des zweiten Teils 28 entlang der konischen Fläche 26 des ersten Teils 25, was ein senkrechtes Festziehen auf dem zylindrischen Abschnitt 36 des Resonators ermöglicht.
• Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung nimmt man als Basis die Verwendung von Hohlräumen und Justiervorrichtungen aus versilbertem Aluminium. Bei einem Ausführungsbeispiel besitzt das Filter gemäß der Erfindung folgende Merkmale:
• - Der Resonator 11 wird von einem Futtersystem gehalten, dessen Einspannmoment so bestimmt ist, daß es Beschleunigungen bis zu 30 g und starke thermische Belastungen aushält.
• - Dieses Futtersystem wird in dem aus Aluminium bestehenden Hohlraum durch drei Schrauben aus dielektrischem Material gehalten, die um 120º gegeneinander versetzt sind. Eine der Schrauben bildet einen festen Punkt (sie bildet den Kontakt zwischen Hohlraum und Futter), während die beiden anderen Schrauben einen Abstand zwischen Hohlraum und Futter belassen. Das Festspannen wird in diesem Bereich durch drei identische Dichtungen bewirkt, die die durch differentielle Dehnungen hervorgerufenen radialen Kräfte aufnehmen können. Diese Kräfte erzeugen, wenn sie nicht klein gehalten werden, einen Spreizeffekt, der den Resonator einem der Böden des Hohlraumes annähert und somit seine Resonanzfrequenz verändert.
• Bei einem Ausführungsbeispiels haben die Bauelemente des Filters gemäß der Erfindung folgende Abmessungen:
• - der Resonator: . Durchmesser = 16 mm . Länge = 8,4 mm
• - der Hohlraum: . Innendurchmesser = 32 mm Länge ≈ 21 mm
• - Position des Resonators im Hohlraum: . h = 1,5 mm (Abstand zwischen dem Ende des Resonators und der Blende) . D ≈ 10 mm (Abstand zwischen der Blende und der Befestigung) . X ≈ 2,8 mm (Abstand zwischen der Befestigung und dem Punkt, an dem sich der Resonator hält)
• - Kopplungsschlitz der Blende: . Breite ≈ 2 mm . Länge ≈ 6 mm
• - verwendete Werkstoffe: . Hohlraum aus Aluminium . Blende aus Aluminium . Befestigung aus einem Dielektrikum
• Man geht dann von einem Einspannmoment des Resonators mit seinem Futter von ungefähr 25 cm Newton aus.
• Mehrere Hohlräume gemäß der Erfindung können stumpf aneinandergesetzt werden, um ein Filter mit n Polen zu bilden. So ermöglichen die weiter oben definierten Merkmale, indem man vier Hohlräume stirnseitig aneinanderreiht, die Herstellung eines selbstkorrigierten Filters im Frequenzband 3,7 GHz/4,2 GHz mit 8 Polen, dessen Leistungen durch die Kurve des Verstärkungsübertragungsfaktors (in Dezibel) gemäß Fig. 4 abhängig von der Frequenz (in GHz) dargestellt sind.
• Natürlich wurde die vorliegende Erfindung nur als bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben und dargestellt. Ihre Elemente können durch äquivalenten Elemente ersetzt werden, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung überschritten wird.

Claims (8)

1. Filter mit einem dielektrischem Resonator, das mindestens einen zylindrischen Hohlraum (10) aufweist, in dem sich ein zylindrischer Resonator (11) befindet, dessen Symmetrieachse Δ in derjenigen des Hohlraums (10) verläuft, wobei dieser Resonator im Inneren des Hohlraums (10) durch mindestens zwei Befestigungsfüße aus dielektrischem Material in einer unsymmetrischen Längsposition gehalten wird, wobei einer dieser Füße ein Spiel relativ zum Hohlraum ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator ein dielektrischer Resonator ist, der von einem Futtersystem (16) bestehend aus drei zylindrischen Teilen gehalten wird, nämlich

- einem ersten Teil (25), das an einem ersten Längsende in einer konischen Innenfläche (26) und an seinem zweiten Ende in einer mit Gewinde versehenen Innenfläche (27) endet;

- einem zweiten beweglichen Teil (28), das sich innerhalb des ersten Teils (25) befindet und dessen äußere geneigte Fläche (29) an der konischen Fläche (26) gleiten kann;

- einem Gewindeteil (30), das in die mit Gewinde versehene Innenfläche (27) des ersten Teils (25) eingreift;

wobei das erste Teil, das die Befestigungsfüße aufweist, an der Wand des Hohlraumes durch Schrauben aus dielektrischem Material befestigt ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (10) an mindestens einem seiner Enden durch eine Blende (14, 15) geschlossen ist.

3. Filter nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Futtersystem (16) an der Innenwand des Hohlraums durch drei um 120º gegeneinander versetzte Füße (18, 19, 20) befestigt ist, von denen einer einen festen Punkt bildet, während die anderen Füße einen Abstand zwischen Hohlraum (10) und Futtersystem aufgrund elastischer Polster ermöglichen, die alle durch differentielle Dehnungen entstandenen Kräfte absorbieren können.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Füße aus drei äußeren, mit Innengewinde versehenen Ansätzen bestehen, in die drei Schrauben (31, 33, 37) eingeschraubt werden können, von denen mindestens zwei auf einer Unterlegscheibe anliegen, die auf einem Polster aus elastischem Material ruht, das die Kompensation der thermischen Dehnung derjenigen Materialien ermöglicht, die das Filter bilden.

5. Filter nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Futtersystem (16) und die Füße aus dielektrischem Material bestehen.

6. Filter nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (10) aus einem versilberten Metall besteht.

7. Filter nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Blende (14, 15) aus versilberten Metall besteht.

8. Filter, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mehreren Hohlräumen gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche besteht.