微波介质谐振器的发展和应用前景

1、微波介质谐振器的发展和应用前景成都微波技术支持工程师：郑国全微波是什么微波是指频频率3000MHHz-330000GHzz的电磁磁波，是是无线电电波中的的一个频段，即波波长在11米（不不含1米米）到00.1毫毫米之间间的电磁磁波，是是分米波波、厘米米波、毫毫米波和和亚毫米米波的统统称。微微波频率率比一般般的无线线电波频频率高，通通常也称称为“超超高频电电磁波”，微波作为一种电磁波具有波粒二象性。二、微波的的特性微波的基本本性质通通常呈现现为穿透透、反射射、吸收收三个特特性。对对于玻璃璃、塑料料和瓷器器，微波波几乎是是穿越而而不被吸吸收。对对于水和和食物等等就会吸吸收微波波而使自自身发热热。而对

2、对金属类类东西，则则会反射射微波。 从从电子学学和物理理学观点点来看，微微波这段段电磁频频谱具有有不同于于其他波波段的如如下重要要特点：穿透性 微微波比其其它用于于辐射加加热的电电磁波，如如红外线线、远红红外线等等波长更更长，因因此具有有更好的的穿透性性。微波波透入介介质时，由由于介质质损耗引引起的介介质温度度的升高高，使介介质材料料内部、外外部几乎乎同时加加热升温温，形成成体热源源状态，大大大缩短短了常规规加热中中的热传传导时间间，物料料内外加加热均匀匀一致。选择性加热热 物物质吸收收微波的的能力，主主要由其其介质损损耗因数数来决定定。介质质损耗因因数大的的物质对对微波的的吸收能能力就强强，

3、相反反，介质质损耗因因数小的的物质吸吸收微波波的能力力也弱。由由于各物物质的损损耗因数数存在差差异，微微波加热热就表现现出选择择性加热热的特点点。物质质不同，产产生的热热效果也也不同。水水分子属属极性分分子，介介电常数数较大，其其介质损损耗因数数也很大大，对微微波具有有强吸收收能力。而而蛋白质质、碳水水化合物物等的介介电常数数相对较较小，其其对微波波的吸收收能力比比水小得得多。因因此对于于食品，含含水量的的多少对对微波加加热效果果影响很很大。热惯性小 微微波对介介质材料料是瞬时时加热升升温，能能耗也很很低。另另一方面面，微波波的输出出功率随随时可调调，介质质温升可可无惰性性的随之之改变，不不存

4、在“余余热”现现象，极极有利于于自动控控制和连连续化生生产的需需要。似光性和似似声性 微微波波长长很短，比比地球上上的一般般物体（如如飞机，舰舰船，汽汽车建筑筑物等）尺尺寸相对对要小得得多，或或在同一一量级上上。使得得微波的的特点与与几何光光学相似似，即所所谓的似似光性。因因此在微波频段段工作，能能使电路路元件尺尺寸减小小，系统更更加紧凑凑。可以制制成体积积小，波波束窄方方向性很很强，增增益很高高的天线线系统，接接受来自自地面或或空间各各种物体体反射回回来的微微弱信号号，从而而确定物物体方位位和距离离，分析析目标特特征。 由由于微波波波长与与物体的的尺寸有有相同的的量级，使使得微波波的特点点又

5、与声声波相似似，即所所谓的似似声性。例例如微波波波导类类似于声声学中的的传声筒筒；喇叭叭天线和和缝隙天天线类似似于声学喇喇叭及萧与笛笛；微波波谐振腔腔类似于于声学共共鸣腔。非电离性 微微波的量量子能量量还不够够大，不不足以改变物物质分子子的内部部结构或或破坏分分子之间间的化学学键。再再从物理学学角度看看，分子子原子在在外加电电磁场的的作用下下所呈现现的许多多共振现现象都发发生在微微波范围围，因而而微波为为探索物物质的内内部结构构和基本本特性提提供了有有效的研研究手段段。利用用这一特特性，还还可以制制作许多多微波器器件信息性 由由于微波波频率很很高，所所以在不不大的相相对带宽宽下，其其可用的的频

6、带很很宽，可可达数百百甚至上上千兆赫赫兹。这这是低频频无线电电波无法法比拟的的。这意意味着微微波的信信息容量量大，所所以现代代多路通通信系统统，包括括卫星通通信系统统，几乎乎无一例外都都是工作作在微波波波段。另另外，微微波信号号还可以以提供相相位信息息，极化化信息，多多普勒频频率信息息。这在在目标检检测，遥遥感目标标特征分分析等应应用中十十分重要要微波还具有有其它所所谓的非非热效应应，如电效效应、磁磁效应及及化学效效应等，根根据这些些效应，我我们可以以开发出出微波的的更多应应用领域域。三、微波的的用途微波成为一一门技术术科学，开开始于220世纪纪30年年代。微微波技术术的形成成以波导导管的实实

7、际应用用为其标标志，若干形形式的微微波电子子管(速速调管、磁磁控管、行行波管等等)的发发明是另另一标志志。 在第第二次世世界大战战中，微微波技术术得到飞飞跃发展展。因战战争需要要，微波波研究的的焦点集集中在雷雷达方面面，由此此而带动动了微波波元件和和器件、高高功率微微波管、微微波电路路和微波波测量等等技术的的研究和和发展。至至今，微微波技术术已成为为一门无无论在理理论和技技术上都都相当成成熟的、又是不不断向纵纵深发展展的学科科。 微波波振荡源源的固体体化以及及微波系系统的集集成化是是现代微微波技术术发展的的两个重重要方向向。固态态微波器器件在功功率和频频率方面面的进展展，使得得很多微微波系统统

8、中常规规的微波波电子管管已为或或将为固固体源所所取代。固固态微波波源的发发展也促促进了微微波集成成电路的的研究。 频频率不断断向更高高范围推推进，仍仍然是微微波研究究和发展展的一个个主要趋趋势。 微微波的发发展还表表现在应应用范围围的扩大大。微波波的最重重要应用用是雷达达和通信信。雷达达不仅用用于国防防，同时时也用于于导航、气气象测量量、大地地测量、工工业检测测和交通通管理等等方面。通通信应用用主要是是现代的的卫星通通信和常常规的中中继通信信。射电电望远镜镜、微波波加速器器等对于于物理学学、天文文学等的的研究具具有重要要意义。毫毫米波微微波技术术对控制制热核反反应的等等离子体体测量提提供了有有

9、效的方方法。微微波遥感感已成为为研究天天体、气气象和大大地测量量、资源源勘探等等的重要要手段。微微波在工工业生产产、农业业科学等等方面的的研究，以以及微波波在生物物学、医医学等方方面的研研究和发发展已越越来越受受到重视视。 微波波与其他他学科互互相渗透透而形成成若干重重要的边边缘学科科，其中中如微波波天文学学、微波波气象学学、微波波波谱学学、量子子电动力力学、微微波半导导体电子子学、微微波超导导电子学学等，已已经比较较成熟。微微波声学学的研究究和应用用已经成成为一个个活跃的的领域。微微波光学学的发展展，特别别是700年代以以来光纤纤技术的的发展，具具有技术术变革的的意义。 四、微波介介质陶瓷瓷

10、是什么么？ 微微波介质质陶瓷是是近二十十多年发发展起来来的一种种新型功功能陶瓷瓷材料。它它是制造造微波介介质谐振振器和滤滤波器的的关键材材料，近近年来研研究十分分活跃。它它在原来来微波铁铁氧体的的基础上上，对配配方和制制作工艺艺都进行行了大幅幅的升级级换代，使使之具有有高介电电常数、低低微波损损耗、温温度系数数小等优优良性能能，适于于制作现现代各种种微波器器件， 如电子子对抗、导导航、通通讯、雷雷达、家家用卫星星直播电电视接收收机和移移动电话话等设备备中的稳稳频振荡荡器、滤滤波器和和鉴频器器，能满满足微波波电路小小型化、集集成化、高高可靠性性和低成成本的要要求。随随着移动动通信和和现代电电子设

11、备备的发展展，微波波介质陶陶瓷的研研究越来来越受到到人们的的重视，承承载着未未来微波波器件的的无限希希望。五、为什么么要使用用介质谐谐振器？正是随着现现代通信信技术的的迅速发发展，通通信设备备使用要要求的特特殊性使使得人们们对通信信系统装装备的重重量和尺尺寸要求求越来越越高，特特别是对对移动通通信系统统中滤波波器的小小型化、轻轻便化、高高频化、低低功耗化化方面的的要求越越来越加加强。然然而，当当前常见见的滤波波器存在在着各自自的缺点点，比如如：采用用微带结结构及金金属谐振振器构成成的滤波波器、双双工器要要实现小小型化难难度太大；声声表面波波滤波器器虽然可可以减小小电路尺尺寸，但但由于功功率容量

12、量小及插插入损耗耗大的不不足，其其应用范范围受到到了限制制。所幸幸的是，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发展，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、加工与应用的飞速发展，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、低成本、小型化、更高频化等各方面飞快发展。微波介质谐谐振器构构成了微微波器件件小型化化的基础础，它具具有三个个非常显显著的特特点：1、有非常常高的介介电常数数，我们们知道，谐谐振器的的尺寸和和电介质质材料的的介电常常数的平平方根成成反比。所所以电介介质材料料的介电电

13、常数越越大，所所需要的的电介质质陶瓷块块体就越越小，谐谐振器的的尺寸也也就越小小。2、有非常常小的频频率温度度系数，己实用化的微波介质陶瓷材料的频率温度系数可达f=0)，就是接近于零的频率温度系数 ppm/，从而可以实现器件的高稳定性和高可靠性。 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，介介质陶瓷瓷材料现现正以极极快的发发展速度度席卷微微波市场场，掌握握新型陶陶瓷材料料的配方方成了各各个微波波厂商竟竟相追逐逐的新宠宠。六、介质谐谐振器的的用途微波介质陶陶瓷主要要用于用用作谐振振器、滤滤波

14、器、介介质天线线、介质质导波回回路等微微波元器器件。微微波介质质滤波器器的优点点是微型型化、损损耗低，频频率温度度系数小小、介电电常数高高、成本本低等。与与金属谐谐振滤波波器相比比，它具具有微型型化的优优点，其其体积只只有前者者的几十十分之一一；与声声表面滤滤波器相相比，它它使用的的频率高高，且成成本低。微波滤波器被广泛的应用于微波通信、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，其性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能。它的应用领域很广，以手机为例，2005年中国的手机年销售量为6400万部，而且中国手机市场将以每年20%的速度增长，在两三

15、年内销售量将达到1亿部。由此可见，微波介质陶瓷在商业应用上有极大的发展空间和市场。七、国外研研究开发发与应用用情况目前，国外外已有相相应公司司在大量量生产微微滤波器器器件，比比较著名名的公司司有美国国的DLLI、TTRANNS-TTECHH、日本本MURRATAA、英国国的FIILTRRONIIC公司司等。他他们生产产的各种种微波介介质陶瓷瓷滤波器器、双工工器、谐谐振器、介介质天线线等产品品已用于于微波基基地站、手手机及无无绳电话话等产品品中，取取得了显显著的经经济和社社会效益益。在介质滤波波器制作作领域最最成熟的的是日本本村田制制作所制制作的MMB系列列一体化化的介质质滤波器器。这种种滤波器

16、器虽然是是用普通通的陶瓷瓷介质材材料和电电极制作作，以高高频电路路设计技技术为基基础，但但是它极极大地推推进了移移动通信信终端市市场的发发展。为为了减小小体积，村村田公司司开发出出MB型型片式介介质滤波波器，它它是由22-3个个同轴谐谐振器整整块连体体构成，而而无需电电路基板板、耦合合器、外外罩等。PPHSll9000用最小小的2级级带通滤滤波器仅仅3.884.322.0 mm33，而相相对应的的2级耦耦合型介介质滤波波器只能能达7.088.03.77 mmm3 。比较典型的的几种滤滤波器分分别是：普通型型DP系系列、普普通型FFB系列列和MBB系列介介质滤波波器。11)普通通型DPP系列产产

17、品是一一只表面面安装型型滤波器器，方形形介质谐谐振器和和电路耦耦合器件件在PCCB上单单独安装装，输入入、输出出和接地地端均采采用PCCB板表表面电极极。同采采用金属属壳的表表面安装装型滤波波器相比比，普通通型DPP系列的的滤波器器地面平平整度有有很大改改进，再再流焊性性也提高高了。而而且，它它的输入入和输出出端在PPCB上上不再需需要专门门的空间间，减小小了它的的安装面面积。这这样谐振振器的尺尺寸和耦耦合电路路的设计计就有了了灵活性性，易于于适应性性能要求求。但是是，最大大的不足足是生产产工序复复杂，费费工时。所所以，减减小成本本最根本本的问题题是要实实现生产产过程中中的自动动化。22)普通

18、通型FBB系列。普普通FBB系列产产品为一一体型滤滤波器，由由介质组组合构成成的多级级谐振器器，输入入、输出出端和壳壳体构成成，FPP系列产产品与DDP系列列相比，需需要的元元件数量量少，成成本低。谐谐振器件件之间的的耦合是是通过介介质上的的耦合孔孔控制，谐谐振器同同外部元元件的耦耦合则通通过模制制树脂金金属插头头插进介介质上的的耦合孔孔实现。该产品因体体积小而而受到欢欢迎，但但其不足足在于耦耦合由组组合介质质上的耦耦合孔控控制，设设计自由由度比DDP系列列差。村村田制作作所开发发的MBB系列介介质滤波波器，主主要考虑虑的是降降低尺寸寸和成本本，同时时保持普普通型器器件的性性能。为为了达到到这

19、个目目的，研研究人员员将器件件设计成成一体型型(圆形形同轴)轴对称称结构。器器件整个个表面除除输入、输输出端和和谐振器器导体外外，全部部设计为为一个电电极，从从性能上上讲，谐谐振器内内部不插插入任何何导体电电极的空空隙用于于产生悬悬空电容容，同时时作为谐谐振器的的开端，电电性能通通过调整整空隙位位置和宽宽度而定定。使滤滤波器品品种适合合于生产产过程自自动化，制制造谐振振器的陶陶瓷材料料用高度度绝缘材材料，电电极则是是镀铜的的。谐振振器在介介质中进进行电磁磁耦合，同同时与外外面的元元件也能能电容耦耦合。谐谐振器件件间的耦耦合元件件及谐振振器同外外部的耦耦合元件件都是同同谐振器器分开的的。因此，该

20、合合成的滤滤波器装装有耦合合所需的的零部件件，使其其能够达达到单个个滤波器器的目标标。在普普通器件件上没有有焊接元元件，这这大大增增强了其其可靠性性。部件件底端部部分或者者全部用用陶瓷材材料制成成，以消消除由于于平底而而引起的的任何问问题。同同时也能能实现很很好的再再流焊性性，同轴轴圆孔为为一环路路以保证证高Q0值。欧欧洲无绳绳电话采采用的两两级滤波波器同普普通滤波波器相比比，每一一滤波器器容量的的Q0值提高高了400。并并且，这这种产品品的衰减减电极(这是移移动通信信用滤波波器所要要求的)设计成成无论在在低频端端或高频频端均能能通过采采用多级级阻抗谐谐振器结结构进行行控制。西门子公司司研制的

21、的3级整整块联体体型片式式介质滤滤波器，尺尺寸规格格仅8.877.4552.75 mm33-5754.002.95 mm33，适用用于ISSM9115、GGPSll5000、PCCNPPCSll8000、PHHSl9900。WW-LAAN24450的的最小型型仅为33.2555.011.9mmm3。19990年年日本住住友公司司提出低低温共烧烧多层介介质平面面型滤波波器的构构想。此此后，松松下、日日本、飞飞利浦、双双信等公公司先后后开发出出适合于于表面贴贴装的同同类新产产品。因因价格因因素而首首先在DDECTT、PHHS、IISM等等无绳电电话中使使用，逐逐渐在PPDC、PPCN、PPCS、G

22、GSM、WW-CDDMA等等蜂窝电电话中推推广。近近来更有有2.44GHzz、5.2GHHz、55.7GGHz的的W-LLAN方方向应用用的趋势势。八、美国DDLL公公司生产产的滤波波器 表1 DLII公司生产产的片式式微波介介质滤波波器主要要性能中心频率（GGHz）材料代号3dB带宽宽（MHHz）滤波器类型型极点数目通带内插损损（dBB）低端-400 dBB点（GGHz）高端-400 dBB点（GGHz）装贴代码长英寸（毫米米）宽英寸（毫米米）2.14CF350(116%)Interrdigg71.81.82.36S0.7400(188.8)0.4000(100.2)3.5CF165(55%

23、)SDRMFF122.53.083.9M0.9000(222.9)0.3300(8.4)4.2CF250(66%)SDRMFF122.43.634.72M0.9000(222.9)0.3300(8.4)5.6CF410(77%)EdgeCCpl52.25.216.13M0.9255(233.5)0.2600(6.6)6CF590(110%)SDRMFF163.75.626.53M0.7000(177.8)0.3300(8.4)6.5CF390(66%)SDRMFF162.75.967.24M0.7000(177.8)0.3300(8.4)9.7CF420(44%)End CCpl 72.99.3610.044M1.5000(388.1)0.1000(2.5)37FS760(22%)End CCpl32.234.83339.677M0.3255(8.3)0.1000(2.5)表2 DLLI公司司微波基基板材料料的性能能与典型型应用基板材料介电常数和和公差损耗角热膨胀系数数（pppm/K）电容温度系系数（pppm/表面粗糙度度(微英英寸)应用及注释释熔融石英（SSiO22）QZZ/FSS3.821MHzz HYPERLINK mailto:0.00000155