微波介质谐振器的进展和应用前景

1、微波介质谐振器的进展和应用前景成都微波技术支持工程师：郑国全一、微波是什么微波是指频率300MHz-3000GH的电磁波，是无线电波中的一个频段，即波长在1米（不含1米）到毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一样的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”，微波作为一种电磁波具有波粒二象性。二、微波的特性微波的大体性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。关于玻璃、塑料和磁器，微波几乎是穿越而不被吸收。关于水和食物等就会吸收微波而使自身发烧。而对金属类东西，那么会反射微波。从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的如下重要特点：穿透性微波比其

2、它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引发的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时刻，物料内外加热均匀一致。选择性加热物质吸收微波的能力，要紧由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在不同，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热成效也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也专门大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对

3、微波的吸收能力比水小得多。因此关于食物，含水量的多少对微波加热成效阻碍专门大。热惯性小微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动操纵和持续化生产的需要。似光性和似声性微波波长很短，比地球上的一样物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此在微波频段工作，能使电路元件尺寸减小，系统加倍紧凑。能够制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，同意来自地面或空间各类物体反射回来的微弱信号，从而确信物体方位和距离，分析目标特点。由于

4、微波波长与物体的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，即所谓的似声性。例如微波波导类似于声学中的传声筒；喇叭天线和裂缝天线类似于声学喇叭及萧与笛；微波谐振腔类似于声学共鸣腔。非电离性微波的量子能量还不够大，不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的化学键。再从物理学角度看，分子原子在外加电磁场的作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因此微波为探讨物质的内部结构和大体特性提供了有效的研究手腕。利用这一特性，还能够制作许多微波器件信息性由于微波频率很高，因此在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百乃至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大，因此现代多

5、路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无一例外都是工作在微波波段。另外，微波信号还能够提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。这在目标检测，遥感目标特点分析等应用中十分重要微波还具有其它所谓的非热效应，如电效应、磁效应及化学效应等，依照这些效应，咱们能够开发出微波的更多应用领域。三、微波的用途微波成为一门技术科学，开始于20世纪30年代。微波技术的形成以波导管的实际应用为其标志，假设干形式的微波电子管（速调管、磁控管、行波管等）的发明是另一标志。在第二次世界大战中，微波技术取得飞跃进展。因战争需要，微波研究的核心集中在雷达方面，由此而带动了微波元件和器件、高功率微波管、微波电路和微波测量等技术的研

6、究和进展。至今，微波技术已成为一门不管在理论和技术上都相当做熟的、又是不断向纵深进展的学科。微波振荡源的固体化和微波系统的集成化是现代微波技术进展的两个重要方向。固态微波器件在功率和频率方面的进展，使得很多微波系统中常规的微波电子管已为或将为固体源所取代。固态微波源的进展也增进了微波集成电路的研究。频率不断向更高范围推动，仍然是微波研究和进展的一个要紧趋势。微波的进展还表此刻应用范围的扩大。微波的最重要应用是雷达和通信。雷达不仅用于国防，同时也用于导航、气象测量、大地测量、工业检测和交通治理等方面。通信应用主若是现代的卫星通信和常规的中继通信。射电望远镜、微波加速器等关于物理学、天文学等的研究

7、具有重要意义。毫米波微波技术对操纵热核反映的等离子体测量提供了有效的方式。微波遥感已成为研究天体、气象和大地测量、资源勘探等的重要手腕。微波在工业生产、农业科学等方面的研究，和微波在生物学、医学等方面的研究和进展已愈来愈受到重视。微波与其他学科相互渗透而形成假设干重要的边缘学科，其中如微波天文学、微波气象学、微波波谱学、量子电动力学、微波半导体电子学、微波超导电子学等，已经比较成熟。微波声学的研究和应用已经成为一个活跃的领域。微波光学的进展，专门是70年代以来光纤技术的进展，具有技术变革的意义。四、微波介质陶瓷是什么？微波介质陶瓷是近二十连年进展起来的一种新型功能陶瓷材料。它是制造微波介质谐振

8、器和滤波器的关键材料，最近几年来研究十分活跃。它在原先微波铁氧体的基础上，对配方和制作工艺都进行了大幅的升级换代，使之具有高介电常数、低微波损耗、温度系数小等优良性能，适于制作现代各类微波器件，如电子对抗、导航、通信、雷达、家用卫星直播电视接收机和移动等设备中的稳频振荡器、滤波器和鉴频器，能知足微波电路小型化、集成化、高靠得住性和低本钱的要求。随着移动通信和现代电子设备的进展，微波介质陶瓷的研究愈来愈受到人们的重视，承载着以后微波器件的无穷希望。五、什么缘故要利用介质谐振器？正是随着现代通信技术的迅速进展，通信设备利用要求的特殊性使得人们对通信系统装备的重量和尺寸要求愈来愈高，专门是对移动通信

9、系统中滤波器的小型化、轻便化、高频化、低功耗化方面的要求愈来越发强。但是，当前常见的滤波器存在着各自的缺点，比如：采纳微带结构及金属谐振器组成的滤波器、双工器要实现小型化难度太大；声表面波滤波器尽管能够减小电路尺寸，但由于功率容量小及插入损耗大的不足，其应用范围受到了限制。所幸的是，随着现代材料科学与电子信息科学技术的交叉渗透，新材料和制造工艺技术的进展，如薄膜工艺技术、单片集成电路、MEMS、LTCC等工艺，极大地带动了微带及基于薄膜技术的滤波器设计、加工与应用的飞速进展，因此，全固态化的各类微型（片式）中频、高频、微波滤波器向着高性能、低本钱、小型化、更高频化等各方面飞快进展。微波介质谐振

10、器组成了微波器件小型化的基础，它具有三个超级显著的特点：一、有超级高的介电常数，咱们明白，谐振器的尺寸和电介质材料的介电常数的平方根成反比。因此电介质材料的介电常数越大，所需要的电介质陶瓷块体就越小，谐振器的尺寸也就越小。二、有超级小的频率温度系数，己有效化的微波介质陶瓷材料的频率温度系数可达Tf=0C）,确实是接近于零的频率温度系数ppm/C,从而能够实现器件的高稳固性和高靠得住性。3、极高的品质因素Q。滤波器的一个重要要求是插入损耗低，微波介质材料Q值与介质损耗tand成反比关系。Q值越大，滤波器的插入损耗就越低。综上所述，介质陶瓷材料现正以极快的进展速度席卷微波市场，把握新型陶瓷材料的配

11、方成了各个微波厂商竞相追赶的迫切要求。六、介质谐振器的用途微波介质陶瓷要紧用于用作谐振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件。微波介质滤波器的优势是微型化、损耗低，频率温度系数小、介电常数高、本钱低等。与金属谐振滤波器相较，它具有微型化的优势，其体积只有前者的几十分之一；与声表面滤波器相较，它利用的频率高，且本钱低。微波滤波器被普遍的应用于微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星接力、导弹制导、测试仪表等系统中，是微波和毫米波系统中不可缺少的器件，其性能的好坏往往直接阻碍整个通信系统的性能。它的应用领域很广，以电话为例，2005年中国的电话年销售量为6400万部，而且中国电话市场将以每一年2

12、0%勺速度增加，在两三年内销售量就将达到1亿部。由此可见，微波介质陶瓷在商业应用上有极大的进展空间和市场。七、国外研究开发与应用情形目前，国外已有相应公司在大量生产微滤波器器件，比较闻名的公司有美国的DLI、TRANS-TECH日本MURATA英国的FILTRONIC公司等。他们生产的各类微波介质陶瓷滤波器、双工器、谐振器、介质天线等产品已用于微波基地站、电话及无绳等产品中，取得了显著的经济和社会效益。在介质滤波器制作领域最成熟的是日本村田制作所制作的M春列一体化的介质滤波器。这种滤波器尽管是用一般的陶瓷介质材料和电极制作，以高频电路设计技术为基础，可是它极大地推动了移动通信终端市场的进展。为

13、了减小体积，村田公司开发出MB1片式介质滤波器，它是由2-3个同轴谐振器整块连体组成，而无需电路基板、耦合器、外罩等。PHS1900用最小的2级带通滤波器仅xxmrh而相对应的2级耦合型介质滤波器只能达X乂mmi。比较典型的几种滤波器别离是：一般型DP系列、一般型FB系列和MB系列介质滤波器。1）一般型DP系列产品是一只表面安装型滤波器，方形介质谐振器和电路耦合器件在PCB上单独安装，输入、输出和接地端均采纳PCBB表面电极。同采纳金属壳的表面安装型滤波器相较，一般型DP系列的滤波器地面平整度有专门大改良，再流焊性也提高了。而且，它的输入和输出端在PCB上再也不需要专门的空间，减小了它的安装面

14、积。如此谐振器的尺寸和耦合电路的设计就有了灵活性，易于适应性能要求。可是，最大的不足是生产工序复杂，费工时。因此，减小本钱最全然的问题是要实现生产进程中的自动化。2）一般型FB系列。一般FB系列产品为一体型滤波器，由介质组合组成的多级谐振器，输入、输出端和壳体组成，FP系列产品与DP系列相较，需要的元件数量少，本钱低。谐振器件之间的耦合是通过介质上的耦合孔操纵，谐振器同外部元件的耦合那么通过模制树脂金属插头插进介质上的耦合孔实现。该产品因体积小而受到欢迎，但其不足在于耦合由组合介质上的耦合孔操纵，设计自由度比DP系歹U差。村田制作所开发的MB系列介质滤波器，要紧考虑的是降低尺寸和本钱，同时维持

15、一般型器件的性能。为了达到那个目的，研究人员将器件设计成一体型（圆形同轴）轴对称结构。器件整个表面除输入、输出端和谐振器导体外，全数设计为一个电极，从性能上讲，谐振器内部不插入任何导体电极的间隙用于产生悬空电容，同时作为谐振器的开端，电性能通过调整间隙位置和宽度而定。使滤波器品种适合于生产进程自动化，制造谐振器的陶瓷材料用高度绝缘材料，电极那么是镀铜的。谐振器在介质中进行电磁耦合，同时与外面的元件也能电容耦合。谐振器件间的耦合元件及谐振器同外部的耦合元件都是同谐振器分开的。因此，该合成的滤波器装有耦合所需的零部件，使其能够达到单个滤波器的目标。在一般器件上没有焊接元件，这大大增强了其靠得住性。

16、部件底端部份或全数用陶瓷材料制成，以排除由于平底而引发的任何问题。同时也能实现专门好的再流焊性，同轴圆孔为一环路以保证高Q值。欧洲无绳采纳的两级滤波器同一般滤波器相较，每一滤波器容量的Q值提高了40%。而且，这种产品的衰减电极（这是移动通信誉滤波器所要求的）设计成不管在低频端或高频端均能通过采纳多级阻抗谐振器结构进行操纵。西门子公司研制的3级整块联体型片式介质滤波器，尺寸规格仅XXmrr-5.75X乂m也适用于ISM91五、GPS150aPCN7PCS180RPHS1900。W-LAN2450的最小型仅为XX。1990年日本住友公司提出低温共烧多层介质平面型滤波器的构思。尔后，松下、日本、飞利

17、浦、双信等公司前后开发出适合于表面贴装的同类新产品。因价钱因素而第一在DECTPHSISM等无绳中利用，慢慢在PDCPCNPCSGSMW-CDMA蜂窝中推行。近来更有、的W-LAN向应用的趋势。八、美国DLL公司生产的滤波器表1DLI公司生产的片式微波介质滤波器要紧性能中心频率(GHz)材料代号3dB带宽(MHz)滤波器类型极点数目通带内插损(dB)低端-40dB点(GHz)高端-40dB点(GHz)装贴代码长英寸(毫米)宽英寸(毫米)CF350(16%)Interdig7SCF165(5%)SDRMF12MCF250(6%)SDRMF12MCF410(7%)EdgeCpl5M6CF590(1

18、0%)SDRMF16MCF390(6%)SDRMF16MCF420(4%)EndCpl7M37FS760(2%)EndCpl3M表2DLI公司微波基板材料的性能与典型应用基板材料介电常数和公差损耗角热膨胀系数(ppm/K)电容温度系数(ppm/C表面粗糙度(微英寸)应用及注释熔融石英(SiO2)QZ/FS1MHz24GHz/<适用于微波与毫米波频率、低损耗、热导率：m.°K氮化铝(AlN)AG±1MHz/Asfired<20Polishedv2适用于大功率电路、射频与微波电路、热导率：170W/m.°K氧化铝网2O3)PI±1MHzP120±30Asfired<4Polished<1适用于一般电路应用、与Si和GaAs芯片上2兼容、热导率：27W/m.°KPG±P22±30v5替代氧化铝，更高的温度稳定性LA±/v5/AH(MgTi)20±P90±20v5适合小型化电路，应用于微波和射频电路NA(MgTi)23±1N