EP1349232B1 - Microwave resonator - Google Patents
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Classifications
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- H01P7/00—Resonators of the waveguide type
- H01P7/06—Cavity resonators
- H01P7/065—Cavity resonators integrated in a substrate
Definitions
- the invention relates to a microwave resonator according to the preamble of the main claim.
- FIG. 3 shows a microwave resonator designed as a circular resonator 1, which has the shape of a circular disk in plan view.
- the radius of the circular disk is 1 ⁇ 4 of the length of the electromagnetic resonant in the circular resonator 1 Wave.
- FIG. 4 shows a section which is not to scale through the circular resonator 1 along the line IV-IV in FIG.
Landscapes
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
- Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Mikrowellenresonator nach der Gattung des Hauptanspruches.The invention relates to a microwave resonator according to the preamble of the main claim.
Bei der Herstellung von HF-Oszillatoren hoher Güte, d.h., mit geringem Phasenrauschen, sind Resonatoren erforderlich, die ebenfalls eine hohe Güte aufweisen. Derartige Resonatoren müssen durch niedrige ohmsche Leitungsverluste, durch geringe dielektrische Verluste und durch niedrige Abstrahlverluste gekennzeichnet sein.In the production of high-quality RF oscillators, that is, with low phase noise, resonators are required which also have a high quality. Such resonators must be characterized by low ohmic conduction losses, by low dielectric losses and by low radiation losses.
Aus dem Stand der Technik sind vielfache Versuche bekannt, diese Bedingungen zu erfüllen. So wird in der Literaturquelle, D. K. Paul und P. Gardner, "Microwave Oscillator and Filters based on Microstrip Ring Resonator", IEEE MTT-S 1995, ein Ringresonator hoher Güte beschrieben, der jedoch die Nachteile aufweist, dass die Ankopplung problematisch ist, und dass Störmoden auftreten, die unterdrückt werden müssen, wenn ein größerer Abstimmbereich benötigt wird. Durch derartige Maßnahmen nimmt die Güte des Resonators wieder ab.From the prior art multiple attempts are known to meet these conditions. Thus, in the literature source, DK Paul and P. Gardner, "Microwave Oscillator and Filters based on Microstrip Ring Resonator", IEEE MTT-S 1995, a ring resonator described high quality, but has the disadvantages that the coupling is problematic, and that spurious modes occur, which must be suppressed when a larger tuning range is needed. By such measures, the quality of the resonator decreases again.
Bekannt ist auch ein aus einem Keramiksubstrat bestehender planarer Resonator, das beidseitig metallisiert ist und in beiden Metallisierungsflächen kreisrunde Aussparungen aufweist. Dieser Resonator weist eine hohe Güte auf, hat aber den Nachteil, dass für dessen Montage beidseitig des Substrates ein größeres Luftvolumen vorliegen muss. Dies erfordert größere Kammern für den Resonator, was sich dann als nachteilig erweist, wenn der Resonator in "MIC"-Technik realisiert werden soll.Also known is a planar resonator consisting of a ceramic substrate, which is metallized on both sides and has circular recesses in both metallization surfaces. This resonator has a high quality, but has the disadvantage that for its mounting on both sides of the substrate, a larger volume of air must be present. This requires larger chambers for the resonator, which proves to be disadvantageous when the resonator is to be realized in "MIC" technique.
Aus der JP 10303618 ist ein rechteckiger Resonator mit drei oder vier leitenden Schichten bekannt. Am äußeren Rand des Resonators sind Bohrungen angebracht, die ein Rechteck bilden. Die Innenseiten der Bohrungen sind leitend beschichtet.From JP 10303618 a rectangular resonator with three or four conductive layers is known. At the outer edge of the resonator bores are mounted, which form a rectangle. The insides of the holes are conductive coated.
Aus der Literaturquelle, Elektronik Industrie 4-1190: Dr. Gundolf Kuchler: Koaxiale Keramikresonatoren für 400 MHz bis 4,5 GHz, und aus der Quelle, UKW-Bericht 2/1989: Dr. J. Jirmann: Koaxiale Keramikresonatoren, interessante Bauelemente für den Frequenzbereich zwischen 1 und 2,4 GHz, sind koaxiale Keramikresonatoren bekannt, die je nach Frequenzbereich und Keramikmaterial eine Güte zwischen Q= 400 bis Q=800 aufweisen. Deren Nachteile bestehen darin, dass hierbei extra Bauelemente erforderlich sind, und dass der Übergang zwischen IC und Resonator kritisch ist.From the Literature Source, Electronics Industry 4-1190: Dr. med. Gundolf Kuchler: Coaxial ceramic resonators for 400 MHz to 4.5 GHz, and from the source,
Bekannt sind zudem aus der Literaturquelle, Artech House: Kajfez/Guillon: Dielectric Resonators, dielektrische Resonatoren, die je nach Frequenzbereich und Resonatormaterial bei Raumtemperatur und im Grundmode TE01δ eine Güte zwischen Q=1000 und Q= 10000 aufweisen. Nachteilig ist, dass diese Resonatoren relativ groß sind, und dass hierbei eine Resonatorkammer erforderlich ist, in der sich das elektrische Feld ausbreitet. Zudem stellt der Resonator ein zusätzliches Bauteil dar. Und im Rahmen der Verwendung dieses Resonators ist eventuell eine Nachbearbeitung (Abschleifen) erforderlich. Als weitere Nachteile weist er eine überdurchschnittliche Gehäuse- und Deckelempfindlichkeit (Mikrophonie) auf, ist die elektrische Abstimmbandbreite aufgrund der hohen Güte sehr gering, d.h., nur ca. 10 MHz, und ist die Montage und der Abgleich eines mit diesem Resonator aufgestatteten Oszillators sehr kompliziert.Also known from the literature source, Artech House: Kajfez / Guillon: Dielectric resonators, dielectric resonators having a quality between Q = 1000 and Q = 10000 depending on the frequency range and resonator material at room temperature and in the fundamental mode TE 01δ . The disadvantage is that these resonators are relatively large, and that in this case a resonator chamber is required in which propagates the electric field. In addition, the resonator represents an additional component. And in the context of the use of this resonator, a post-processing (grinding) may be required. As further disadvantages, it has an above-average case and lid sensitivity (microphony), the electrical tuning bandwidth is very low due to the high quality, ie, only about 10 MHz, and the installation and adjustment of an oscillator equipped with this resonator is very complicated ,
Letztlich sind aus den Literaturquellen E. Belohoubek, E. Denlinger, Loss Considerations for Microstrip Resonators", IEEE MTT, Juni 1975, und A. Gopinath, Maximum Q-Factor of Microstrip Resonators, IEEE MTT Feb. 1981, MIC-Streifenleitungs-Resonatoren bekannt, bei denen für jede Frequenz und für jedes Substratmaterial eine optimale Konfiguration, d.h., Leiterbreite und Substratdicke, realisierbar ist. Der Nachteil dieser bekannten Resonatoren besteht in der relativ niedrigen Güte von nur Q=50 bis Q=200.Finally, E. Belohoubek, E. Denlinger, Loss Considerations for Microstrip Resonators, IEEE MTT, June 1975, and A. Gopinath, Maximum Q-Factor of Microstrip Resonators, IEEE MTT Feb. 1981, describe MIC stripline resonators An optimum configuration, ie conductor width and substrate thickness, can be realized for each frequency and for each substrate material The disadvantage of these known resonators consists in the relatively low quality of only Q = 50 to Q = 200.
Ein Beispiel eines solchen Resonators ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Er besteht aus einem streifenförmigen Substrat 12, das beidseitig mit einer leitfähigen Schicht 3 belegt ist, und das nahe der rechten Stirnseite Bohrungen 2 aufweist. Die Innenflächen der Bohrungen 2 sind ebenfalls mit der Schicht 3 belegt, sodass die Schicht 3 der Oberseite 4 und die Schicht 3 der Unterseite 5 elektrisch miteinander verbunden sind. Hierbei bestimmen der ohmsche Widerstand der Schicht 3 am über die Bohrungen 2 kurzgeschlossenen, relativ schmalen Ende die großen ohmschen Leitungsverluste und die ziemlich großen geometrischen Abmessungen des als Signaleingang 13 dienenden linken offenen Endes die großen Abstrahlverluste des bekannten Streifenleitungs-Resonators. Da die Güte des Resonators abhängig ist von der Größe der Leitungsverluste und der Abstrahlverluste, ergibt sich hieraus die relativ niedrige Güte des bekannten Resonators.An example of such a resonator is shown in FIGS. 1 and 2. It consists of a strip-
Der erfindungsgemäße Mikrowellenresonator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil verringerter ohmscher Leitungsverluste und verringerter Abstrahlverluste, sodass er eine sehr hohe Güte aufweist und gut dazu geeignet ist, in HF-Oszillatoren mit hoher Güte eingebaut zu werden.In contrast, the microwave resonator according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage of reduced ohmic line losses and reduced radiation losses, so that it has a very high quality and is well suited to be installed in RF oscillators with high quality.
Die leitfähige Schicht, bzw. die Anordnung der Löcher, weist die Form einer Kreisscheibe auf, deren Oberseite und deren Unterseite mit der Schicht belegt sind, sind die Bohrungen am Rand der Kreisscheibe angeordnet. Die hierdurch minimierten Abmessungen des offenen Endes reduzieren die Abstrahlverluste des Mikrowellenresonators, und dessen sehr weit aufgespreiztes kurzgeschlossenes Ende verringern dessen ohmsche Leitungsverluste erheblich, sodass hierdurch die Güte des erfindungsgemäßen Resonators sehr erhöht wird.The conductive layer, or the arrangement of the holes, has the shape of a circular disk whose top and bottom are covered with the layer, the holes are arranged on the edge of the circular disc. The thus minimized dimensions of the open end reduce the radiation losses of the microwave resonator, and its very wide spread short-circuited end significantly reduce its ohmic line losses, so that thereby the quality of the resonator according to the invention is greatly increased.
Die Kreisscheibe weist als Signaleingang eine von derem zentralen Bereich radial nach außen gerichtete Ankopplungszunge mit der Länge L auf, die seitlich über einen Spalt mit der Breite S von der Kreisscheibe beabstandet ist. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, über die Spaltbreite S die Abstimmbandbreite und über die Länge L die Kopplung des Mikrowellenresonators einzustellen.The circular disc has as a signal input from a central region radially outwardly directed coupling tongue with the length L, which is laterally spaced over a gap with the width S of the circular disc. This results in the possibility of setting the tuning bandwidth over the gap width S and the coupling of the microwave resonator over the length L.
Der Spalt zwischen Ankoppelzunge und Kreisscheibe ist kreissektor förmig ausgebildet. Durch diese weitgehende Vergrößerung der Spaltbreite ergibt sich eine besonders breitbandige Version des Mikrowellenresonators gemäß der Erfindung.The gap between coupling tongue and circular disk is formed kreissektor shaped. This extensive enlargement of the gap width results in a particularly broadband version of the microwave resonator according to the invention.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Mikrowellenresonator mehr als eine Ankoppelzunge auf. Dies ermöglicht die Ankopplung einer der Anzahl der Ankoppelzungen entsprechender Anzahl von Leitungen und Bauelementen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the microwave resonator has more than one coupling tongue. This allows the coupling of one of the number of coupling tongues corresponding number of lines and components.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Substrat aus verlustarmen dielektrischen Material, welches Material in Keramikform hervorragende Isolationseigenschaften aufweist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the substrate consists of low-loss dielectric material, which material in ceramic form has excellent insulation properties.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Substrat aus Aluminiumoxid, Saphir, Quarzglas, Teflon oder dergleichen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the substrate consists of alumina, sapphire, quartz glass, Teflon or the like.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Schicht aus hochleitfähigen Metall, sodass es sich für den vorliegenden Zweck besonders gut eignet.According to a further advantageous embodiment of the invention, the layer consists of highly conductive metal, so that it is particularly well suited for the present purpose.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Schicht aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Supraleiter oder dergleichen. Dieses Material weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und ist sehr korrosionsbeständig, sodass es sich für den vorliegenden Zweck besonders gut eignet.According to a further advantageous embodiment of the invention, the layer consists of gold, silver, copper, aluminum, superconductor or the like. This material has a high electrical conductivity and is very resistant to corrosion, making it particularly suitable for the present purpose.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar.Further advantages and advantageous embodiments of the invention are the following description, the drawings and claims removed.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur 6 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
- Fig. 1
- Resonator aus einem streifenförmigen Substrat, das beidseitig mit einer leitfähigen Schicht belegt ist,
- Fig. 2
- Resonator gemäß Fig. 1
- Fig. 3
- einen Kreisresonator in Draufsicht,
- Fig. 4
- den Kreisresonator gemäß Fig. 3 im Schnitt entlang der Linie IV-IV,
- Fig. 5
- einen Kreisresonator in Draufsicht mit einer separaten Ankopplungszunge und
- Fig. 6
- einen Kreisresonator in Draufsicht mit einer separaten Ankopplungszunge und einem Spalt zwischen Ankopplungszunge und Kreisresonator in Form eines Kreissektors.
- Fig. 1
- Resonator of a strip-shaped substrate which is covered on both sides with a conductive layer,
- Fig. 2
- Resonator according to FIG. 1
- Fig. 3
- a circular resonator in plan view,
- Fig. 4
- the circular resonator of FIG. 3 in section along the line IV-IV,
- Fig. 5
- a circular resonator in plan view with a separate coupling tongue and
- Fig. 6
- a circular resonator in plan view with a separate coupling tongue and a gap between Coupling tongue and circular resonator in the form of a circular sector.
Ein Beispiel eines solchen Resonators ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Er besteht aus einem streifenförmigen Substrat 12, das beidseitig mit einer leitfähigen Schicht 3 belegt ist, und das nahe der rechten Stirnseite Bohrungen 2 aufweist. Die Innenflächen der Bohrungen 2 sind ebenfalls mit der Schicht 3 belegt, sodass die Schicht 3 der Oberseite 4 und die Schicht 3 der Unterseite 5 elektrisch miteinander verbunden sind. Hierbei bestimmen der ohmsche Widerstand der Schicht 3 am über die Bohrungen 2 kurzgeschlossenen, relativ schmalen Ende die großen ohmschen Leitungsverluste und die ziemlich großen geometrischen Abmessungen des als Signaleingang 13 dienenden linken offenen Endes die großen Abstrahlverluste des bekannten Streifenleitungs-Resonators. Da die Güte des Resonators abhängig ist von der Größe der Leitungsverluste und der Abstrahlverluste, ergibt sich hieraus die relativ niedrige Güte des bekannten Resonators.An example of such a resonator is shown in FIGS. 1 and 2. It consists of a strip-shaped
Figur 3 zeigt einen als Kreisresonator 1 ausgebildeten Mikrowellenresonator, der in Draufsicht die Form einer Kreisscheibe aufweist. Der Radius der Kreisscheibe beträgt ¼ der Länge der im Kreisresonator 1 in Resonanz befindlichen elektromagnetischen Welle. Figur 4 stellt einen nicht maßstabsgerechten Schnitt durch den Kreisresonator 1 entlang der Linie IV-IV in Figur 3 dar.FIG. 3 shows a microwave resonator designed as a
Der Kreisresonator 1 besteht aus einer Scheibe aus Aluminiumoxid (Al2O3), d.h., aus einem elektrisch gut isolierenden Substrat 12, welche Scheibe an ihrem Rand durchgehende Bohrungen 2 aufweist und, wie insb. Figur 4 zeigt, beidseitig mit einer Schicht 3 belegt ist, die aus einem hochleitfähigen und nicht korrodierenden Material besteht, wozu sich besonders gut Gold eignet. Auch die Innenflächen der Bohrungen 2 sind mit der leitfähigen Schicht 3 belegt, sodass hierdurch die auf der Oberseite 4 und der Unterseite 5 sich befindlichen Schichten 3 kurzgeschlossen werden. In der Mitte weist die Schicht 3 der Oberseite 4 eine runde Öffnung 6 auf, die als Signaleingang 13 verwendet wird.The
Der in den Figuren 3 und 4 dargestellte Kreisresonator 1 kann bis zu einer Frequenz von 20 GHz betrieben werden. Die Form des Kreisresonator 1 bewirkt, dass dessen ohmsche Leitungsverluste und dessen Abstrahlverluste sehr gering sind, sodass er eine Güte von Q= 700 aufweist. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auch ein mit dem Kreisresonator 1 gemäß der Erfindung ausgestatteter Oszillator eine hohe Güte, d.h., ein geringes Phasenrauschen aufweist. Hierbei erfolgt die Ankopplung der elektrischen Oszillatorbauelemente über den Signaleingang 13 dadurch, dass diese in der Mitte der Oberseite 4 durch die Öffnung 6 und durch das Aluminiumoxid-Substrat durchkontaktiert werden.The
In Figur 5 ist ein Beispiel eines Kreisresonators 7 dargestellt, die anstelle einer zentralen Öffnung 6 auf einer Seite eine Ankopplungszunge 8 als Signaleingang 13 mit der Länge L aufweist.FIG. 5 shows an example of a
Deren Zweck besteht darin, Oszillatorbauelemente mit dem Kreisresonator 7 elektrisch zu verbinden. Der Kreisresonator 7 besteht ebenfalls aus einer Aluminiumoxidscheibe, die beidseitig mit Gold beschichtet ist. Beide Seiten der Goldschicht weisen die in Figur 5 dargestellt Form auf. Auch diese Ausgestaltung eines Kreisresonators hat eine Güte von Q=700. Hierbei besteht nun die Möglichkeit, die Kopplung des Resonators 7 durch eine Variation der Länge L der Ankopplungszunge einzustellen. Wird beidseitig der Ankopplungszunge 8 zwischen dieser und dem Kreisresonator 7 ein Spalt 9 von der Breite S gelassen, besteht die Möglichkeit, die Abstimmbandbreite des Kreisresonators 7 über die Spaltbreite S einzustellen.Their purpose is to electrically connect oscillator components to the
Hieraus folgt eine in Figur 6 dargestellte Ausgestaltung eines Kreisresonators 10, dessen Aufbau bis auf den kreissektorförmigen Spalt 11 identisch ist mit demjenigen des Kreisresonators 7 gemäß Figur 5. Hierbei schließen die Seiten des Spaltes 11 einen Winkel von einer derartigen Größe ein, dass der Kreisresonator 10 eine Abstimmbandbreite von bis zu 15% aufweist.From this follows a configuration of a
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kreisresonators 10 besteht nun die Möglichkeit, Oszillatorbauelemente kapazitiv, d.h., über einen Kondensator oder über eine durch einen Koppelschlitz getrennte Leitung auf der Oberseite oder der Unterseite des Aluminiumoxid-Substrates anzukoppeln.In the embodiment of the
Zur Abstimmung kann eine Varaktordiode mittels einer weiteren Leitung angekoppelt werden. Diese Diode kann sowohl außerhalb als auch innerhalb der Struktur des Kreisresonators angeordnet sein.For tuning, a varactor diode can be coupled by means of another line. This diode can be arranged both outside and inside the structure of the circular resonator.
Hierbei hat die vorliegende Erfindung insb. Den Vorteil, in "MIC"-Technik realisierbar zu sein, wobei die Breite S des Spaltes 9 bzw. der Öffnungswinkel des kreissektorförmigen Spaltes 11 beliebig variiert werden können. Der Kreisresonator 7 bzw. 10 kann zur Ankopplung mehrerer Leitungen auch mit mehr als einer Ankopplungszunge 8 versehen sein, wobei dann die Breite S des Spaltes 9 bzw. die Größe des Öffnungswinkels des kreissektorförmigen Spaltes 11 von der Anzahl der Ankopplungszungen 8 und von der gewünschten Abstimmbandbreite des erfindungsgemäßen Kreisresonators 7 bzw. 10 abhängt.In this case, the present invention has the particular advantage of being able to be realized in "MIC" technology, wherein the width S of the
Als weiterer Vorteil ist zu nennen, dass der erfindungsgemäße Kreisresonator sehr unempfindlich ist gegenüber solchen Einflüssen der Umgebung, die den Effekt der Mikrophonie auslösen. Dies wird dadurch bewirkt, dass die elektromagnetischen Felder fast vollständig zwischen der Oberseite 4 und der Unterseite 5 der hochleitfähigen Schicht 3 einschließbar sind, und dass die auf der Oberseite 4 und auf der Unterseite 5 befindlichen Schichten 3 über die Bohrungen 2 elektrisch miteinander verbunden sind.Another advantage is that the circular resonator according to the invention is very insensitive to such influences of the environment that trigger the effect of the microphones. This is effected by the fact that the electromagnetic fields are almost completely enclosed between the
- 11
- KreisresonatorKreisresonator
- 22
- Bohrungdrilling
- 33
- leitfähige Schichtconductive layer
- 44
- Oberseitetop
- 55
- Unterseitebottom
- 66
- Öffnungopening
- 77
- KreisresonatorKreisresonator
- 88th
- Ankopplungszungecoupling tongue
- 99
- Spaltgap
- 1010
- KreisresonatorKreisresonator
- 1111
- Spaltgap
- 1212
- Substratsubstratum
- 1313
- Signaleingangsignal input
Claims (6)
- A microwave resonator comprising a plate-shaped, electrically insulating substrate (12),- which is coated on both sides with an electrically conductive coating (3),- which has holes (2) close to a face of the conductive coating (3),- wherein the coating (3) covers the inner surfaces of the holes (2) and thereby creates an electrical connection between the coatings (3) applied to both sides of the substrate (12), and- wherein that area of the substrate (12) in which the edge of part of the coating (3) lies opposite another part of the coating (3), insulated by the substrate, can be used as a signal input (13),- wherein that area of the substrate (12) acting as a signal input (13) is smaller in size than the face of the substrate (12) containing the holes (2),
characterised in that- the conductive coating (3) and configuration of the holes (2) is in the form of a circular disc,- the holes (2) are arranged along the edge of the circular disc; and- the upper conductive coating of the circular disc as a signal input (13) has a coupling guide (8) of length L directed radially outward from its central area, which is laterally spaced above gap (9) from the upper conductive coating of the circular disc;- each slit (11) is shaped as a circular segment. - The microwave resonator according to claim 1, characterised by more than one coupling guide (8).
- The microwave resonator according to one of the preceding claims, characterised in that the substrate (12) is made from low-loss dielectric material.
- The microwave resonator according to claim 3, characterised in that the substrate (12) is made from aluminium oxide, sapphire, quartz glass, Teflon or the like.
- The microwave resonator according to one of the preceding claims, characterised in that the coating (3) is made from a conductive material.
- The microwave resonator according to claim 5, characterised in that the coating (3) is made from gold, silver, copper, aluminium, a superconductor or the like.
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