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1、电子器件项目报告学院:材料科学与工禾旱专业/班级:12级电子元器件1班学生姓名:石先玉、唐川、曹淼学号:指导教师:开始时间:2015_5_9_完成时间:2015年6月6日4.8GHz片式谐振器的设计目录摘要第一章、设计原理1.1微波谐振器1.2微带线1.2.1介质微带线1.2.2微带线的一些计算公式1.2.3微带线损耗1.2.4微带线谐振器简介第二章、设计过程2.1设置参数及计算2.1.1近似长度计算2.1.2参数的最终计算2.2Sonnet软件仿真2.3采用柠檬酸凝胶法制备BaT409微波介质陶瓷2.4真空镀膜中心导电带总结参考文献摘要:随着通信事业的高速发展,对微波元器件的丁小型化提出了越

2、来越高的要求。本项目主要研究设计中心频率为4.8GHz、品质因数大丁等丁100,尺寸为431mn长宽高)、阻抗匹配为50欧姆的谐振器。采用了能有效减小器件体积的微带线进行设计。设计过程中包括材料的选择、原理的介绍、数据的计算、对设计出的片式微带线谐振器进行sonnet软件仿真、用柠檬酸凝胶法制备BaTi409微波介质陶瓷以及真空镀膜中心导电带。关键词:谐振器、微带线、sonnet软件。第一章、设计原理1.1、微波谐振器在微波以下的频段,采用集中参数的电感L和电容c来构造谐振回路。但当频率升高至微波频段后,由丁趋肤效应引起的欧姆损耗、由介质引起的介质损耗和辐射引起的损耗大大增加,从而明显降低谐振

3、回路的Q值。并且,由丁频率的增加,使得L和C的数值大大减少,这一方面减少储能空间,从而进一步降低谐振回路的Q值及功率容量等性能;另一方面,由丁L、C太小也使工艺结构上难以实现。因此,在微波技术中常采用的是如图11所示的一些谐振腔(器):(a)波导型腔(b)同轴型腔图1-1微波谐振器1.2微带线1.2.1微带线简介微带线是微波集成电路(MIC)中使用最多的一种传输线,随着MIC的日益的进步,微带电路在微波中的地位也越来越显著。微带线课印制在很薄的介质基片上(可以薄到1mn下),故其横截面尺寸比波导、同轴线要小得多。其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟,也可以方便地解决匹配问题。当设计时采用高介电常数的

4、介质基片,还可使线上的波长比自由空间波长小了几倍,同时整个微带元件共用接地板,只须由导体带条构成电路图形,使整个电路的结构集成紧密,由丁这些因素,微带电路较好地解决了小型化问题,与波导、同轴线元件相比,大大地减小了体积、重量,因而使电路的结构和工艺大为简化。微带线的结构如图1-2所示:图1-2微带线几何参数1.2.2微带线的一些计算公式在实际应用中,要解决电路匹配问题时,阻抗特性是一个重要参量。基片内相对介质的介电常数为r时微带线的有效介电常数rer1re=2r1"2-1/2,12h10.041wh1-1/212hwh特性阻抗Zo:Zo60In8hrew4h传播波长re1.2.3微带

5、线的损耗损耗是传输线的重要传输特性之一。因为微带线的结构是不封闭的,所以微带线上的损耗远大丁同轴线、波导的损耗,在设计微带线电路的时候,必须考虑到损耗对其的影响。微带线的损耗来自丁以下三方面:a、微带线介质损耗:它主要是由丁介质的漏电特性决定的,假设微带线的介质损耗为d,低损耗的介质损耗可以用下式表示:d27.3r-1rre-1tanIIe(dB/cm)re损耗比较高的介质损耗为:re(dB/cm)其中tan是损耗角正切。b、导体损耗:微带线有着一定的电导率,当电流通过导体带条和接地板的时候,就会产生热损耗。由丁微带线的横截面积很小,所以相对丁波导和同轴线来说,它的散热很慢,这就造成微带线的导

6、体损耗很大这也是微带线导体损耗的主要部分,假设微带线导体损耗为c,则有:RscZoW其中Rs,是导体的电导率。c、辐射损耗:由丁微带线场具有半开放性的结构,所以会产生辐射损耗。由丁h/o«0.01,所以忽略辐射损耗。1.2.4微带线谐振器简介在微波集成电路中,广泛使用带状线和微带线谐振器作振荡回路、滤波器、稳频回路和阻抗匹配网络等。总之,在微波集成电路中凡需要使用谐振回路的地方,都可以使用带状线和微带线谐振器,以利丁集成小型化的微波集成电路。本次设计采用的1/4波长一端短路另一端开路的微带线谐振器如图所示:成路端图1-3一端短路一端开路微带线谐振器第二章、设计过程2.1参数计算本次设

7、计采用1/4波长一端短路另一端开路的微带线设计,设计的参数要求如下:中心频率fo4.8GHz尺寸431mm品质因数Q100、阻抗Zo502.1.1近似长度计算3.0108自由空间的波长:62.5mm4.8109为方便计算,设计微带线的中心导电带宽w=imm基片高h=imm所以wh1若中心导电带长度为4mm实际小丁4mm,由14(mm得re=15.2588r1乂re2-1/212h2w0.041-=15.2588h得r=23.3247所以,要求r>23.3247因此,经分析和相关资料查询,我们本次设计最终选取具有中等的介电常数、低的介电损耗的BaTi409微波介质陶瓷。其中相对介电常数r=

8、39,损耗tg1104。2.1.2参数的最终计算由前面的计算和分析得:1,r=39所以:re-1/212h0.04225.2697Zo60in8h4h25.1871re3.11mm其中,l为中心导电带的长度。银在室温下为固体,导电性能优越,化学稳定性好,易丁成膜,故选择银作为中心导带薄膜材料。银的导电率为6.17x107s/m。2.2Sonnet软件仿真a、打开sonnet,设置相关参数,单位,设计尺寸,建立导电率为6.17x107s/m,厚度为t=0.001mm的Metal1。b、在容器内用Toolbox作出长度大致为3.1mm宽为1.00mm的矩形。双击矩形区域,选择金届类型为Metal1

9、。(注意矩形要与边界相连,因为此时软件默认表小接地)。c、用Toolbox作出中心导带两旁的电容,选择相同的Matel1,再添加大小相同的两个端口1、2(和中心导电带形成与外电路的耦合电容,此时不要求大小,后面调节)。大致形状如下:图2-1中心导电带及两端口大致形状d、选择Circuit-DielectricLayers,设置基片上面空气厚度以及基片厚度d、£r和损耗tan,保存。(一般空气厚度约为基板厚度的3-5倍)然后选择Analysis-Steup设置扫描方式及扫描范围。e、选择Project-Analyze进行分析。按照中心频率所在的位置调节中心导电带长度,反复调试,直到中心

10、频率在4.8GHz为止。再调节两旁端口与中心导电带形成的的电容大小,反复调试,使DBS12和DBS21越尖锐越好。得到最终的设计尺寸(图2-2)及仿真的曲线(图2-3)如图:图2-2微带线谐振器最终设计及尺寸图图2-3软件仿真结果Q值计算:图2-4仿真Q值分析一fc48所得Q值:QC4.814.794300由仿真结果,我们的中心频率f°=4.8GHz,品质因数Q=300>100,符合设计要求2.3采用柠檬酸凝胶法制备BaTi409微波介质陶瓷a、试剂选择,钛酸丁酯Ti(OC4H9)4,纯度98%、乙酸彻BagCOO)纯度99%、柠檬酸(C6H80)、乙酸(CCOOH)乙醇(CH

11、CH0H)为起始材料。b、钛酸丁酯溶丁乙醇,符合化学式配比(nTi:nBa=4:1)的乙酸彻在加热搅拌的条件下溶丁乙酸。c、冷却后,把以上2种溶液混合,并加入柠檬酸的乙醇溶液。柠檬酸与总的金届离子的摩尔比为l:l。混合溶液的pH值控制在2左右。在搅拌混合的过程中,混合溶液逐渐转变为凝胶。d、凝胶在80C干燥,在500750C热处理3h,然后把750C处理的粉体丁9001200C燧烧2h.在1200C处理的粉体经过球磨、干燥,添加w(PVA)=5%的PVA造粒,在100MPa的压力下压成尺寸4x3x1(mr的厚片,在11501300C烧结4h成为陶瓷基片。2.4真空镀膜中心导电带我们要在陶瓷基片

12、上镀Ag膜,采用真空蒸发的方法,即|通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面,称为真空蒸发镀膜。|具体操作如下:a、以电阻作为加热源,用难熔金届如鸨、钥制成舟箔或丝状,通以电流,加热在它上方的或置丁土甘埸中的蒸发物,示意图(图2-5)如下:H空系统图2-5真空蒸发镀膜示意图b、将银置丁土甘埸内或挂在热丝上作为蒸发源,然后钛酸彻陶瓷基片置丁土甘埸前方,待系统抽至高真空后,加热土甘埸使其中的银蒸发,蒸发的银原子以冷凝方式沉积在基片表面,掌握蒸发速率和时间,将薄膜厚度控制在0.01mm以下。总结微波电路及其系统中对器件高可靠性和小型化有很高的要求,本次设计使用了四分之一波长一端短路一端开路的微带线设计尺寸4x3x1(mm的谐振器,并获得成功,有效减小了器件体积。并采用柠檬酸凝胶法制备BaTi409微

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