Конструкция коаксиального резонатора

 

Изобретение относится к технике СВЧ. Техническим результатом является создание модульной конструкции коаксиального резонатора и фильтра, реализуемого с использованием этой конструкции. Резонатор образуется из двух или более модулей или блоков с прямоугольным поперечным сечением, которые крепятся друг к другу. Поверхности модулей с нанесенным электропроводящим покрытием образуют центральный проводник и по меньшей мере часть экрана резонатора. Диэлектрический слой образуется из материала самого модуля, в качестве которого обычно выступает керамика. Модульные блоки рекомендуется изготавливать посредством их вырезания из керамической подложки. Резонатор или фильтр можно изготавливать без применения специализированного инструмента, например, путем ручной сборки из модулей или с помощью автоматических методов сборки, которые известны и широко используются для сборки печатных монтажных схем. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к конструкции коаксиального резонатора, в которой центральный проводник коаксиально окружен электропроводящим экраном. Между центральным проводником и экраном расположен изолирующий слой. Этот изолирующий слой может быть, например, керамическим или воздушным.

Известно, что коаксиальный резонатор можно изготовить из керамического блока, который имеет нижнюю поверхность, верхнюю поверхность и боковые поверхности. Отверстие с нанесенным на его внутреннюю поверхность электропроводящим материалом проходит через керамический блок от его верхней поверхности до его нижней поверхности. Это отверстие образует центральный проводник резонатора. Экран образуется путем нанесения электропроводящего материала на внешние поверхности керамического блока. Это покрытие на внешней поверхности покрывает боковые поверхности и большую часть нижней поверхности. На верхней поверхности керамического блока покрытие отсутствует, по меньшей мере около отверстия, которое образует центральный проводник. Покрытие, образующее центральный проводник, соединяется с покрытием, образующим экран на нижней поверхности блока. Образованный из керамического блока коаксиальный резонатор называют также керамическим резонатором.

Керамические резонаторы особенно широко используются в радиочастотных устройствах с диапазоном частоты, который превышает 1000 МГц. При очень высоких частотах длина центрального проводника резонатора может достигать всего лишь нескольких миллиметров, что примерно равно одной четверти длины волны.

Процесс изготовления керамических резонаторов является довольно сложным. Поскольку керамический материал относится к очень твердым материалам, то существуют проблемы при механической обработке керамического блока. Для каждого конкретного размера керамического резонатора необходимо изготавливать и использовать специальный обрабатывающий инструмент, с помощью которого резонатору придается его окончательная форма и с помощью которого образуется отверстие в самом керамическом блоке. После формирования конкретной керамической смеси из этой смеси выжигаются избыточные компоненты и на последнем этапе обработки керамический блок подвергается процедуре спекания при температуре примерно в 1200^oC. Используемые при изготовлении керамических резонаторов специализированные инструменты являются дорогостоящими и при механической обработке керамического материала быстро изнашиваются. Именно по причине быстрого износа инструмента с последующим изменением размеров керамического блока в нем довольно трудно, а часто и невозможно добиться оптимального соотношения между диаметром экрана и диаметром центрального проводника, образованного отверстием с нанесенным на его внутреннюю поверхность электропроводящим материалом. Это в свою очередь обуславливает изменение электрических характеристик резонатора. Перфораторы, используемые для образования отверстий в резонаторах малых размеров являются настолько тонкими, что они не могут выдерживать давление, которое используется в процессе изготовления резонаторов, и легко разрушаются.

Такие же затруднения имеют место и при изготовлении фильтра. В процессе изготовления фильтра необходимо выполнить в каждом керамическом блоке несколько отверстий, которые выполняют функцию резонаторов. Степень индуктивной и емкостной связи между отверстиями регулируется посредством размещения отверстий на приемлемых расстояниях друг от друга. Степень связи между резонаторами фильтра не всегда соответствует техническим условиям, что обусловлено технологическим процессом их изготовления и используемыми режущими инструментами. Из предшествующего уровня техники известны способы и конструкции для регулирования степени связи между резонаторами. Степень связи можно регулировать определенной формой проводника на поверхности керамического блока, как описано в патенте Финляндии 87407. Ни один из известных способов не может решить эту проблему, т.е. не может "перемещать отверстие из одной позиции в другую". Довольно часто возникает необходимость в удалении какого-то дефектного компонента, что отрицательно сказывается на производительности технологической линии.

Еще одна производственная проблема связана с изготовлением самого инструмента. Как правило, первый вариант инструмента не соответствует техническим условиям на этот инструмент, и поэтому размеры резонатора, изготовленного с использованием инструмента, могут не соответствовать техническим условиям на этот резонатор. В частности, процесс спекания может обусловить усадку, которую трудно оценить заранее. Если инструмент сконструирован некорректно, то резонатор, изготавливаемый под давлением, может разрушиться из-за внутреннего напряжения. Именно из-за наличия отмеченных выше недостатков требовалось изготовление нескольких усовершенствованных вариантов инструмента, прежде чем были бы удовлетворены соответствующие технические условия. Однако изготовление и испытание этих вариантов инструмента связано с затратами времени и дополнительными расходами, которые отражаются на цене конечного изделия.

Настоящее изобретение предусматривает создание конструкции коаксиального резонатора, которая свободна от отмеченных выше недостатков и проблем изготовления такого резонатора.

Конструкция резонатора по настоящему изобретению выполнена модульной. Конструкция состоит из отдельных блоков или модулей, изготовленных из диэлектрического материала. Модули соединены между собой для получения желаемой конструкции, которая приводит к созданию легко регулируемой конструкции коаксиального резонатора, не требующей использования известных в настоящее время инструментов.

Ниже приводится детальное описание настоящего изобретения, иллюстрируемое чертежами, на которых показано следующее: Фиг. 1 - первый вариант конструкции резонатора согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 - второй вариант конструкции резонатора согласно настоящему изобретению.

Фиг. 3 - третий вариант конструкции резонатора согласно настоящему изобретению.

Фиг. 4 - пример выполнения фильтра, реализуемого с использованием конструкции, соответствующей изобретению.

Резонатор, соответствующий настоящему изобретению, выполнен из двух или более блоков либо модулей. Как правило, эти блоки имеют прямоугольное или квадратное поперечное сечение. Соответствующие блоки предпочтительно вырезают, например, из керамической подложи. Блоки соединяют друг с другом для формирования резонатора, подобно тому, как показано на фиг. 1; этот резонатор представляет собой наиболее простую конструкцию, которая является объектом настоящего изобретения.

Показанный на фиг. 1 резонатор состоит из блока 11 основания и из блока 12 центрального проводника. Блок 11 основания изготовлен из диэлектрического материала, например из керамики. Блок 12 центрального проводника, центральный проводник которого образуется посредством нанесения электропроводного материала, например серебряной пасты, закрепляется на блоке 11 основания. Блок центрального проводника соответствует центральному проводнику или металлизированному отверстию коаксиального резонатора известного уровня техники. Блок 12 центрального проводника может быть изготовлен из керамики или любого другого материала, на который можно напылять электропроводный материал. Материал блока центрального проводника также может быть электропроводным, в этом случае отпадает необходимость в напылении электропроводного слоя. Блок 12 центрального проводника крепится к блоку 11 основания с помощью серебряной пасты, например той, которую используют для нанесения на блок центрального проводника. На нижнюю поверхность 13 и на боковые поверхности 14a, 14b, 14c и 14d блока 11 основания наносится электропроводный слой, который образует часть электропроводного экрана резонатора. В показанном на фиг. 1 резонаторе остальная часть экрана образуется из покрывающей электропроводной пластины 15, которая устанавливается поверх образованной блоком 11 основания и блоком 12 центрального проводника конструкции на соответствующем расстоянии от блока центрального проводника. Покрывающая пластина 15 (на фиг.1 показана пунктирной линией) крепится к боковым поверхностям 14a и 14c с помощью наносимого электропроводящего материала.

Показанный на фиг. 1 диэлектрический слой между экраном и центральным проводником резонатора образован в основном слоем воздуха между покрывающей пластиной 15 и блоком 12 центрального проводника. Примерно одну треть диэлектрического слоя образует блок 11 основания. Длина блока центрального проводника L соответствует одной четвертой части длины волны, что является характеристикой резонаторов на линии передачи.

С помощью показанной на фиг. 2 конструкции можно изготовить резонатор меньшего размера. На фиг. 2 показан несколько модифицированный резонатор по сравнению с показанным на фиг.1 резонатором, причем модификация сводится к добавлению покрывающего блока 23, который устанавливается поверх образуемой блоком 21 основания и блоком 22 центрального проводника конструкции. Покрывающий блок 23 вырезают из керамической подложки тем же способом, как и блок основания, с последующим его креплением к блоку 22 центрального проводника посредством нанесения материала, например серебряной пасты. На верхнюю поверхность 24 и на боковые поверхности 25a, 25b, 25c и 26d покрывающего блока, также напыляют электропроводящий материал. Боковые пластины из электропроводящего материала 26 и 27, показанные на фиг. 2 пунктирными линиями, являются дополнительными с точки зрения функционирования резонатора, так как боковые стороны блока корпуса с нанесенным электропроводящим слоем и покрывающий блок образуют вполне достаточную площадь экрана. В описываемом варианте изобретения керамический блок корпуса и покрывающий блок образуют более двух третей диэлектрического слоя резонатора. Остальная часть диэлектрического слоя образуется слоем воздуха между блоком 22 центрального проводника и дополнительными боковыми пластинами. Длина L блока 22 центрального проводника меньше, чем в показанном на фиг. 1 варианте резонатора, так как диэлектрическая постоянная этого диэлектрического слоя будет меньше, чем в варианте по фиг. 1.

На фиг. 3 показан третий вариант конструкции резонатора по настоящему изобретению. Показанный на фиг. 3 вариант резонатора также имеет блок 31 основания и покрывающий блок 32, однако вместо блока центрального проводника в показанном на фиг. 3 варианте используются боковые блоки 33 и 34, которые вырезаны из керамической подложки соответствующей толщины. Из фиг. 3 ясно видно, что блок основания, покрывающий блок и боковые блоки, закреплены друг с другом с помощью полос из серебряной пасты. Центральный проводник этого резонатора образован металлизированным отверстием 35, которое заменяет собой блок центрального проводника, который используется в первых двух вариантах осуществления изобретения. Электропроводное покрытие центрального проводника образовано одной из сторон с нанесенным электропроводящим слоем блока основания, покрывающего блока и боковых блоков. Экран резонатора образован внешней поверхностью с нанесенным электропроводным покрытием конструкции, образованной из блока основания, покрывающего блока и из боковых блоков. Конструкция резонатора по этому варианту функционирует точно также, как и уже известная конструкция с "отверстием в керамическом блоке".

На фиг. 4 схематически показано, как раскрытая в описании изобретения конструкция по настоящему изобретению используется для создания фильтра. Блок основания 41 функционирует в качестве базы для нескольких блоков центрального проводника 42. Показанный на фиг. 4 фильтр состоит из трех резонаторов. Блоки центрального проводника 42 образуют центральные проводники резонаторов. Резонатор накрыт покрывающей пластиной 43 как и в показанном на фиг. 1 варианте. Покрывающая пластина обозначена на этом чертеже пунктирной линией.

Каждый из показанных на фиг. 1, 2 и 3 вариантов осуществления изобретения можно использовать для создания конструкций фильтров, которые состоят из нескольких резонаторов. Можно устанавливать керамический покрывающий блок поверх блоков центрального проводника 42, как это показано в варианте на фиг. 2. Центральные проводники параллельных резонаторов могут быть образованы отверстиями, окруженными блоком основания, покрывающим блоком и боковыми блоками, что и показано в варианте по фиг. 3. Боковые блоки с приемлемыми размерами поперечного сечения можно также устанавливать между и на боковых сторонах блоков центрального проводника 42, где они будут оказывать определенное влияние на степень индуктивно-емкостной связи. Степень индуктивно-емкостной связи между резонаторами легко регулировать посредством изменения их относительных расстояний, т.е. посредством перемещения блоков центрального проводника 42 относительно друг друга. Эту степень связи можно также регулировать посредством отпечатывания топологий проводника на поверхности керамического блока, что является общеизвестной практикой.

На фиг. 4 показан предпочтительный вариант изобретения, в соответствии с которым блок основания 41 используется в качестве монтажного основания для дискретных электронных компонентов 44 вместо платы с печатной схемой при реализации, например, усилителя. Кроме того, электрические емкости более высокого качества могут создаваться с помощью топологий проводника на керамической пластине по сравнению с теми, которые образуются с помощью топологии проводников на обычном материале печатных схем, что обусловлено высокой диэлектрической постоянной керамики.

Конструкцию по настоящему изобретению можно использовать для сборки резонаторов по тому же принципу, который используется при автоматической сборке печатных схем. Автоматические сборочные машины могут манипулировать различными частями резонаторов или блоком основания, блоком центрального проводника, покрывающим блоком и боковыми блоками точно так же, как они манипулируют дискретными электронными компонентами, например резисторами или конденсаторами.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения основные блоки резонатора, а возможно и некоторые другие компоненты собирают на исходной керамической подложке в соответствии с конкретным планом расположения деталей, а затем собранную таким образом исходную подложку разрезают на части, которые образуют, например, различные типы фильтров. Перед сборкой подложки на блоки и на конфигурацию проводников можно наносить электропроводящий материал. Легче создавать конфигурацию проводников на ровной поверхности керамической подложки, чем создавать такие конфигурации проводников на поверхности маленьких керамических блоков, как это делается в известных способах.

Регулировать параметры опытного образца новой конструкции резонатора, выполненной по настоящему изобретению, также значительно легче. В частности, не представляет проблемы переместить блок центрального проводника в желаемую позицию. Диэлектрический слой между центральным проводником и экраном можно увеличить с помощью описанных здесь блоков. Диэлектрическую постоянную можно уменьшить за счет удаления блоков из конструкции резонатора. Если такое экспериментирование с опытным образцом дает желаемые результаты, то конечные данные можно ввести в память автоматической сборочной машины для получения неограниченного количества идентичных конструкций резонаторов.

С помощью основной идеи настоящего изобретения возможно также осуществление ручного изготовления резонаторов, но без использования дорогостоящего инструмента, требовавшегося в способах, известных из предшествующего уровня техники.

Описанная в настоящем изобретении процедура изготовления блоков отличается простотой: керамическую подложку изготовляют или заказывают у фирмы, которая специализируется на массовом изготовлении керамических подложек. В промышленном масштабе выпускаются керамические подложки стандартного размера, которые изготовляют, например, из оксида алюминия. Керамическую подложку можно разрезать на керамические блоки соответствующего размера, из которых затем собирают резонаторы.

Длина блоков может быть различной. Например, блок центрального проводника может быть короче блоков основания или покрывающих блоков; в этом случае блок центрального проводника будет полностью находиться внутри конструкции.

По одному из предпочтительных вариантов блок центрального проводника, который образует центральный проводник, выполнен полым с одним открытым концом, что придает всей конструкции меньший вес.

Нанесение электропроводящего материала может быть осуществлено на всей конструкции центрального проводника или только на одной или более его продольных поверхностей. В случае необходимости нанесение электропроводящего материала на центральный проводник может быть осуществлено и за пределами блока центрального проводника, в частности, на поверхности блока основания или покрывающего блока, к которому крепится блок центрального проводника.

Конструкция, соответствующая изобретению, имеет смысл в ряде аспектов. В частности, изобретение вводит новый подход в технологию изготовления резонаторов. Фактически, больше уже не идет речи об изготовлении резонатора, что часто ассоциируется с обработкой материала и специализированным инструментом, а скорее речь идет о сборке резонаторов из основных его компонентов или блоков, описанных в приведенных выше примерах. Сборка блоков является легко прогнозируемым процессом. Собранные резонаторы или фильтры являются сходными устройствами. В данном случае можно легко и просто регулировать электрические параметры конструкции, например резонансную частоту, характеристическое сопротивление, а в случае с несколькими резонаторами их степень индуктивной или емкостной связи, что обусловлено возможностью изменения относительных положений всех блоков.

Кроме того, с помощью конструкции, соответствующей настоящему изобретению, проблемы, связанные с изготовлением центрального проводника резонаторов малых размеров, решаются двумя путями: во-первых, за счет изготовления блока центрального проводника с небольшой площадью поперечного сечения посредством его вырезания из керамической подложки, как это описано в вариантах, иллюстрируемых на фиг. 1 или 2, и во-вторых, посредством сборки резонатора из блоков, которые образуют отверстие, которое будет достаточно небольшим, как это описано в варианте, иллюстрируемом на фиг. 3. По третьему варианту изобретения также легко и просто регулировать размер упомянутого отверстия.

Проиллюстрированный на фиг. 4 способ также пригоден для изготовления гибридных схем. В случае гибридной схемы дискретные элементы монтируются на одном конце блока основания.

Размер, количество и позиция блоков, которые образуют резонатор, не ограничиваются описанными выше примерами. Конструкция может видоизменяться в пределах объема изобретения, определяемого пунктами формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Коаксиальный резонатор, содержащий электропроводящий экран, центральный проводник и диэлектрический слой, расположенный между указанным экраном и центральным проводником, отличающийся тем, что резонатор является модульным, состоящим, по меньшей мере, из двух модульных блоков, при этом каждый модульный блок имеет, по существу, прямоугольное поперечное сечение и множество наружных поверхностей, включающих, по существу, плоские продольные поверхности, при этом каждый указанный блок прикреплен, по меньшей мере, к одному другому указанному блоку, при этом центральный проводник содержит электропроводящее покрытие, расположенное, по меньшей мере, на части, по меньшей мере, одной из указанных продольных поверхностей, по меньшей мере, одного из указанных блоков, при этом указанный экран содержит электропроводящее покрытие, расположенное, по меньшей мере, на части, по меньшей мере, одной из указанных наружных поверхностей, по меньшей мере, одного из указанных блоков, отличающейся от одной из указанных продольных поверхностей, образующих центральный проводник, при этом диэлектрический слой дополнительно содержит, по меньшей мере, часть, по меньшей мере, одного из указанных блоков, и при этом, по меньшей мере, одна из указанных продольных поверхностей, по меньшей мере, одного из указанных блоков, по меньшей мере, частично определяет внутреннюю полость.

2. Коаксиальный резонатор по п.1, отличающийся тем, что модульный блок изготовлен из керамики.

3. Коаксиальный резонатор по п.1, отличающийся тем, что центральный проводник образован одним модульным блоком, каждая наружная поверхность которого является электропроводящей.

4. Коаксиальный резонатор по п. 3, отличающийся тем, что центральный проводник образован из одного модульного блока, который является проводником.

5. Коаксиальный резонатор по п.3 или 4, отличающийся тем, что центральный проводник образован из одного модульного блока, который является полым и открытым на концах.

6. Фильтр, содержащий, по меньшей мере, один коаксиальный резонатор, причем каждый коаксиальный резонатор содержит электропроводящий экран, центральный проводник и диэлектрический слой, расположенный между указанным экраном и центральным проводником, отличающийся тем, что каждый указанный резонатор является модульным, состоящим, по меньшей мере, из двух модульных блоков, при этом каждый модульный блок имеет, по существу, прямоугольное поперечное сечение и множество наружных поверхностей, включая, по существу, плоские продольные поверхности, при этом каждый указанный блок прикреплен, по меньшей мере, к одному другому указанному блоку, при этом центральный проводник содержит электропроводящее покрытие, расположенное, по меньшей мере, на части, по меньшей мере, одной из указанных продольных поверхностей, по меньшей мере, одного из указанных блоков, при этом указанный экран содержит электропроводящее покрытие, расположенное, по меньшей мере, на части, по меньшей мере, одной из указанных наружных поверхностей, по меньшей мере, одного из указанных блоков, отличающейся от одной из указанных продольных поверхностей, образующих центральный проводник, при этом диэлектрический слой содержит, по меньшей мере, часть, по меньшей мере, одного из указанных блоков, и при этом, по меньшей мере, одна из указанных продольных поверхностей, по меньшей мере, одного из указанных блоков, по меньшей мере, частично определяет внутреннюю полость.

7. Фильтр по п.6, отличающийся тем, что один модульный блок представляет собой пластину для использования в качестве монтажной платы для дискретных компонентов.

8. Фильтр по п.6, отличающийся тем, что один модульный блок представляет собой установочную пластину, на которой крепятся модульные блоки, образующие центральные проводники резонаторов.

9. Фильтр по п.8, отличающийся тем, что один модульный блок крепится на противоположных относительно указанной установочной пластины поверхностях модульных блоков, образующих центральные проводники резонаторов.

10. Фильтр по п.8, отличающаяся тем, что между модульными блоками, которые образуют центральные проводники резонаторов, расположены модульные блоки для регулирования степени индуктивной или емкостной связи между резонаторами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4