微波介质谐振器的发展和应用前景

1、.：.；微波介质谐振器的开展和运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率300MHz-3000GHz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0.1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。微波频率比普通的无线电波频率高，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、微波的特性微波的根本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使本身发热。而对金属类东西，那么会反射微波。 从电子学和物理学观念来看，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

2、 微波比其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，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质资料内部、外部几乎同时加热升温，构成体热源形状，大大缩短了常规加热中的热传导时间，物料内外加热均匀一致。选择性加热 物质吸收微波的才干，主要由其介质损耗因数来决议。介质损耗因数大的物质对微波的吸收才干就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的才干也弱。由于各物质的损耗因数存在差别，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收才干。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对

3、较小，其对微波的吸收才干比水小得多。因此对于食品，含水量的多少对微波加热效果影响很大。热惯性小 微波对介质资料是瞬时加热升温，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动，不存在“余热景象，极有利于自动控制和延续化消费的需求。似光性和似声性 微波波长很短，比地球上的普通物体如飞机，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类似，即所谓的似光性。因此在微波频段任务，能使电路元件尺寸减小，系统更加紧凑。可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和间隔 ，分析目的特征。

4、 由于微波波长与物体的尺寸有一样的量级，使得微波的特点又与声波类似，即所谓的似声性。例如微波波导类似于声学中的传声筒；喇叭天线和缝隙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，缺乏以改动物质分子的内部构造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景象都发生在微波范围，因此微波为探求物质的内部构造和根本特性提供了有效的研讨手段。利用这一特性，还可以制造许多微波器件信息性 由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比较的。这意味着微波的信息容量大，

5、所以现代多路通讯系统，包括卫星通讯系统，几乎无一例外都是任务在微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。这在目的检测，遥感目的特征分析等运用中非常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，根据这些效应，我们可以开发出微波的更多运用领域。三、微波的用途微波成为一门技术科学，开场于20世纪30年代。微波技术的构成以波导管的实践运用为其标志，假设干方式的微波电子管(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，微波技术得到飞跃开展。因战争需求，微波研讨的焦点集中在雷达方面，由此而带动了微波元件和器件、高功率微波管、微波电路和微波丈

6、量等技术的研讨和开展。至今，微波技术已成为一门无论在实际和技术上都相当成熟的、又是不断向纵深开展的学科。 微波振荡源的固体化以及微波系统的集成化是现代微波技术开展的两个重要方向。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。固态微波源的开展也促进了微波集成电路的研讨。 频率不断向更高范围推进，依然是微波研讨和开展的一个主要趋势。 微波的开展还表如今运用范围的扩展。微波的最重要运用是雷达和通讯。雷达不仅用于国防，同时也用于导航、气候丈量、大地丈量、工业检测和交通管理等方面。通讯运用主要是现代的卫星通讯和常规的中继通讯。射电望远镜、微波加速器等对于物

7、理学、天文学等的研讨具有重要意义。毫米波微波技术对控制热核反响的等离子体丈量提供了有效的方法。微波遥感已成为研讨天体、气候和大地丈量、资源勘探等的重要手段。微波在工业消费、农业科学等方面的研讨，以及微波在生物学、医学等方面的研讨和开展已越来越遭到注重。 微波与其他学科相互浸透而构成假设干重要的边缘学科，其中如微波天文学、微波气候学、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，曾经比较成熟。微波声学的研讨和运用曾经成为一个活泼的领域。微波光学的开展，特别是70年代以来光纤技术的开展，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多年开展起来的一种新型功能陶

8、瓷资料。它是制造微波介质谐振器和滤波器的关键资料，近年来研讨非常活泼。它在原来微波铁氧体的根底上，对配方和制造工艺都进展了大幅的晋级换代，使之具有高介电常数、低微波损耗、温度系数小等优良性能，适于制造现代各种微波器件， 如电子对抗、导航、通讯、雷达、家用卫星直播电视接纳机和挪动等设备中的稳频振荡器、滤波器和鉴频器，能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低本钱的要求。随着挪动通讯和现代电子设备的开展，微波介质陶瓷的研讨越来越遭到人们的注重，承载着未来微波器件的无限希望。五、为什么要运用介质谐振器？正是随着现代通讯技术的迅速开展，通讯设备运用要求的特殊性使得人们对通讯系统配备的分量和尺寸要求越来

9、越高，特别是对挪动通讯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越来越加强。然而，当前常见的滤波器存在着各自的缺陷，比如：采用微带构造及金属谐振器构成的滤波器、双工器要实现小型化难度太大；声外表波滤波器虽然可以减小电路尺寸，但由于功率容量小及插入损耗大的缺乏，其运用范围遭到了限制。所幸的是，随着现代资料科学与电子信息科学技术的交叉浸透，新资料和制造工艺技术的开展，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、加工与运用的飞速开展，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

10、开展。微波介质谐振器构成了微波器件小型化的根底，它具有三个非常显著的特点：1、有非常高的介电常数，我们知道，谐振器的尺寸和电介质资料的介电常数的平方根成反比。所以电介质资料的介电常数越大，所需求的电介质陶瓷块体就越小，谐振器的尺寸也就越小。2、有非常小的频率温度系数，己适用化的微波介质陶瓷资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、极高的质量要素Q。滤波器的一个重要要求是插入损耗低，微波介质资料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，介质陶瓷资料现正以极快的开展速度席卷微波市场，掌握新

11、型陶瓷资料的配方成了各个微波厂商竟相追逐的新宠。六、介质谐振器的用途微波介质陶瓷主要用于用作谐振器、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点是微型化、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比，它具有微型化的优点，其体积只需前者的几非常之一；与声外表滤波器相比，它运用的频率高，且本钱低。微波滤波器被广泛的运用于微波通讯、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短少的器件，其性能的优劣往往直接影响整个通讯系统的性能。它的运用领域很广，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

12、以每年20%的速度增长，在两三年内销售量将到达1亿部。由此可见，微波介质陶瓷在商业运用上有极大的开展空间和市场。七、国外研讨开发与运用情况目前，国外已有相应公司在大量消费微滤波器器件，比较著名的公司有美国的DLI、TRANS-TECH、日本MURATA、英国的FILTRONIC公司等。他们消费的各种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、手机及无绳等产品中，获得了显著的经济和社会效益。在介质滤波器制造领域最成熟的是日本村田制造所制造的MB系列一体化的介质滤波器。这种滤波器虽然是用普通的陶瓷介质资料和电极制造，以高频电路设计技术为根底，但是它极大地推进了挪动通讯终端市

13、场的开展。为了减小体积，村田公司开发出MB型片式介质滤波器，它是由2-3个同轴谐振器整块连体构成，而无需电路基板、耦合器、外罩等。PHSl900用最小的2级带通滤波器仅3.84.32.0 mm3，而相对应的2级耦合型介质滤波器只能达7.08.03.7 mm3 。比较典型的几种滤波器分别是：普通型DP系列、普通型FB系列和MB系列介质滤波器。1)普通型DP系列产品是一只外表安装型滤波器，方形介质谐振器和电路耦合器件在PCB上单独安装，输入、输出和接地端均采用PCB板外表电极。同采用金属壳的外表安装型滤波器相比，普通型DP系列的滤波器地面平整度有很大改良，再流焊性也提高了。而且，它的输入和输出端在

14、PCB上不再需求专门的空间，减小了它的安装面积。这样谐振器的尺寸和耦合电路的设计就有了灵敏性，易于顺应性能要求。但是，最大的缺乏是消费工序复杂，费工时。所以，减小本钱最根本的问题是要实现消费过程中的自动化。2)普通型FB系列。普通FB系列产品为一体型滤波器，由介质组合构成的多级谐振器，输入、输出端和壳体构成，FP系列产品与DP系列相比，需求的元件数量少，本钱低。谐振器件之间的耦合是经过介质上的耦合孔控制，谐振器同外部元件的耦合那么经过模制树脂金属插头插进介质上的耦合孔实现。该产品因体积小而遭到欢迎，但其缺乏在于耦合由组合介质上的耦合孔控制，设计自在度比DP系列差。村田制造所开发的MB系列介质滤

15、波器，主要思索的是降低尺寸和本钱，同时坚持普通型器件的性能。为了到达这个目的，研讨人员将器件设计成一体型(圆形同轴)轴对称构造。器件整个外表除输入、输出端调和振器导体外，全部设计为一个电极，从性能上讲，谐振器内部不插入任何导体电极的空隙用于产生悬空电容，同时作为谐振器的开端，电性能经过调整空隙位置和宽度而定。使滤波器种类适宜于消费过程自动化，制造谐振器的陶瓷资料用高度绝缘资料，电极那么是镀铜的。谐振器在介质中进展电磁耦合，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，使其可以到达单个滤波器的目的。在普通器

16、件上没有焊接元件，这大大加强了其可靠性。部件底端部分或者全部用陶瓷资料制成，以消除由于平底而引起的任何问题。同时也能实现很好的再流焊性，同轴圆孔为一环路以保证高Q0值。欧洲无绳采用的两级滤波器同普通滤波器相比，每一滤波器容量的Q0值提高了40。并且，这种产品的衰减电极(这是挪动通讯誉滤波器所要求的)设计成无论在低频端或高频端均能经过采用多级阻抗谐振器构造进展控制。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8.87.452.75 mm3-5754.02.95 mm3，适用于ISM915、GPSl500、PCNPCSl800、PHSl900。W-LAN2450的最小型仅为3.255.

17、01.9mm3。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想象。以后，松下、日本、飞利浦、双信等公司先后开发出适宜于外表贴装的同类新产品。因价钱要素而首先在DECT、PHS、ISM等无绳中运用，逐渐在PDC、PCN、PCS、GSM、W-CDMA等蜂窝中推行。近来更有2.4GHz、5.2GHz、5.7GHz的W-LAN方向运用的趋势。八、美国DLL公司消费的滤波器 表1 DLI公司消费的片式微波介质滤波器主要性能中心频率GHz资料代号3dB带宽MHz滤波器类型极点数目通带内插损dB低端-40 dB点GHz高端-40 dB点GHz装贴代码长英寸毫米宽英寸毫米2.14CF350(16%

18、)Interdig71.81.82.36S0.740(18.8)0.400(10.2)3.5CF165(5%)SDRMF122.53.083.9M0.900(22.9)0.330(8.4)4.2CF250(6%)SDRMF122.43.634.72M0.900(22.9)0.330(8.4)5.6CF410(7%)EdgeCpl52.25.216.13M0.925(23.5)0.260(6.6)6CF590(10%)SDRMF163.75.626.53M0.700(17.8)0.330(8.4)6.5CF390(6%)SDRMF162.75.967.24M0.700(17.8)0.330(8.4)9.7CF420(4%)End Cpl 72.99.3610.04M1.500(38.1)0.100(2.5)37FS760(2%)End Cpl32.234.8339.67M0.325(8.3)0.100(2.5)表2 DLI公司微波基板资料的性能与典型运用基板资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/外表粗糙度(微英寸)运用及注释熔融石英SiO2QZ/FS3.821MHz HYPERLINK mailto:0.0000151MHz 0.0000151MHz0.0003324GH