微波介质谐振器的发展和应用前景

1、微波介质质谐振器器的发展展和应用用前景成都微波波技术支支持工程程师：郑郑国全微波是什什么微波是指指频率3300MMHz-30000GHzz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，通常也也称为“超高频频电磁波波”，微波作作为一种种电磁波波具有波波粒二象象性。二、微波波的特性性微波的基基本性质质通常呈呈现为穿穿透、反反射、吸吸收三个个特性。对于玻玻璃、塑塑料和瓷瓷器，微微波几乎乎是穿越越而不被被吸收。对于水水和食物物等就会会吸收微微波

2、而使使自身发发热。而而对金属属类东西西，则会会反射微微波。 从从电子学学和物理理学观点点来看，微波这这段电磁磁频谱具具有不同同于其他他波段的的如下重重要特点点：穿透性微波比其其它用于于辐射加加热的电电磁波，如红外外线、远远红外线线等波长长更长，因此具具有更好好的穿透透性。微微波透入入介质时时，由于于介质损损耗引起起的介质质温度的的升高，使介质质材料内内部、外外部几乎乎同时加加热升温温，形成成体热源源状态，大大缩缩短了常常规加热热中的热热传导时时间，物物料内外外加热均均匀一致致。选择性加加热物质吸收收微波的的能力，主要由由其介质质损耗因因数来决决定。介介质损耗耗因数大大的物质质对微波波的吸收收能

3、力就就强，相相反，介介质损耗耗因数小小的物质质吸收微微波的能能力也弱弱。由于于各物质质的损耗耗因数存存在差异异，微波波加热就就表现出出选择性性加热的的特点。物质不不同，产产生的热热效果也也不同。水分子子属极性性分子，介电常常数较大大，其介介质损耗耗因数也也很大，对微波波具有强强吸收能能力。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，含水量量的多少少对微波波加热效效果影响响很大。热惯性小小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，不存

4、在在“余热热”现象象，极有有利于自自动控制制和连续续化生产产的需要要。似光性和和似声性性微波波长长很短，比地球球上的一一般物体体（如飞飞机，舰舰船，汽汽车建筑筑物等）尺寸相相对要小小得多，或在同同一量级级上。使使得微波波的特点点与几何何光学相相似，即即所谓的的似光性性。因此此在微波频段段工作，能使电电路元件件尺寸减减小，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，接受来来自地面面或空间间各种物物体反射射回来的的微弱信信号，从从而确定定物体方方位和距距离，分分析目标标特征。 由于微微波波长长与物体体的尺寸寸有相同同的量级级，使得得微波的的特点又又与声波

5、波相似，即所谓谓的似声声性。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。非电离性性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，其其可用的的频带很很宽，可可

6、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。另外，微波信信号还可可以提供供相位信信息，极极化信息息，多普普勒频率率信息。这在目目标检测测，遥感感目标特特征分析析等应用用中十分分重要微波还具具有其它它所谓的的非热效效应，如如电效应应、磁效效应及化化学效应应等，根根据这些些效应，我们可可以开发发出微波波的更多多应用领领域。三、微波波的用途途微波成为为一门技技术科学学，开始始于200世纪330年代代。微波波技术的的形成以以波导管管的实际际应用为为其标志

7、志，若干形形式的微微波电子子管(速速调管、磁控管管、行波波管等)的发明明是另一一标志。 在第二二次世界界大战中中，微波波技术得得到飞跃跃发展。因战争争需要，微波研研究的焦焦点集中中在雷达达方面，由此而而带动了了微波元元件和器器件、高高功率微微波管、微波电电路和微微波测量量等技术术的研究究和发展展。至今今，微波波技术已已成为一一门无论论在理论论和技术术上都相相当成熟熟的、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中常规规的微波波电子管管已

8、为或或将为固固体源所所取代。固态微微波源的的发展也也促进了了微波集集成电路路的研究究。 频率率不断向向更高范范围推进进，仍然然是微波波研究和和发展的的一个主主要趋势势。 微波波的发展展还表现现在应用用范围的的扩大。微波的的最重要要应用是是雷达和和通信。雷达不不仅用于于国防，同时也也用于导导航、气气象测量量、大地地测量、工业检检测和交交通管理理等方面面。通信信应用主主要是现现代的卫卫星通信信和常规规的中继继通信。射电望望远镜、微波加加速器等等对于物物理学、天文学学等的研研究具有有重要意意义。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效的方方法。微微波遥感感已成为为研究天

9、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。微波在在工业生生产、农农业科学学等方面面的研究究，以及及微波在在生物学学、医学学等方面面的研究究和发展展已越来来越受到到重视。 微波与与其他学学科互相相渗透而而形成若若干重要要的边缘缘学科，其中如如微波天天文学、微波气气象学、微波波波谱学、量子电电动力学学、微波波半导体体电子学学、微波波超导电电子学等等，已经经比较成成熟。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。微波光光学的发发展，特特别是770年代代以来光光纤技术术的发展展，具有有技术变变革的意意义。 四、微波波介质陶陶瓷是什什么？ 微波介介质陶瓷瓷是近二二十多年年发展

10、起起来的一一种新型型功能陶陶瓷材料料。它是是制造微微波介质质谐振器器和滤波波器的关关键材料料，近年年来研究究十分活活跃。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，使之具具有高介介电常数数、低微微波损耗耗、温度度系数小小等优良良性能，适于制制作现代代各种微微波器件件， 如如电子对对抗、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、集成化化、高可可靠性和和低成本本的要求求。随着着移动通通信和现现代电子子设备的的发展，微波介介质陶瓷瓷的研究究越来越越受到

11、人人们的重重视，承承载着未未来微波波器件的的无限希希望。五、为什什么要使使用介质质谐振器器？正是随着着现代通通信技术术的迅速速发展，通信设设备使用用要求的的特殊性性使得人人们对通通信系统统装备的的重量和和尺寸要要求越来来越高，特别是是对移动动通信系系统中滤滤波器的的小型化化、轻便便化、高高频化、低功耗耗化方面面的要求求越来越越加强。然而，当前常常见的滤滤波器存存在着各各自的缺缺点，比比如：采采用微带带结构及及金属谐谐振器构构成的滤滤波器、双工器器要实现现小型化化难度太太大；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

12、制。所幸幸的是，随着现现代材料料科学与与电子信信息科学学技术的的交叉渗渗透，新新材料和和制造工工艺技术术的发展展，如薄薄膜工艺艺技术、单片集集成电路路、MEEMS、LTCCC等工工艺，极极大地带带动了微微带及基基于薄膜膜技术的的滤波器器设计、加工与与应用的的飞速发发展，因因此，全全固态化化的各类类微型（片式）中频、高频、微波滤滤波器向向着高性性能、低低成本、小型化化、更高高频化等等各方面面飞快发发展。微波介质质谐振器器构成了了微波器器件小型型化的基基础，它它具有三三个非常常显著的的特点：1、有非非常高的的介电常常数，我我们知道道，谐振振器的尺尺寸和电电介质材材料的介介电常数数的平方方根成反反比

13、。所所以电介介质材料料的介电电常数越越大，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、有非非常小的的频率温温度系数数，己实实用化的的微波介介质陶瓷瓷材料的的频率温温度系数数可达f=0)，就是是接近于于零的频频率温度度系数 ppmm/，从而而可以实实现器件件的高稳稳定性和和高可靠靠性。 3、极极高的品质因因素Q。滤波波器的一一个重要要要求是是插入损损耗低，微波介介质材料料Q值与与介质损损耗taand成成反比关关系。QQ值越大大，滤波波器的插插入损耗耗就越低低。 综上所述述，介质质陶瓷材材料现正正以极快快的发展展速度席席卷微波波市场，掌握新新型陶瓷瓷材料的的配方成成了

14、各个个微波厂厂商竟相相追逐的的新宠。六、介质质谐振器器的用途途微波介质质陶瓷主主要用于于用作谐谐振器、滤波器器、介质质天线、介质导导波回路路等微波波元器件件。微波波介质滤滤波器的的优点是是微型化化、损耗耗低，频频率温度度系数小小、介电电常数高高、成本本低等。与金属属谐振滤滤波器相相比，它它具有微微型化的的优点，其体积积只有前前者的几几十分之之一；与与声表面面滤波器器相比，它使用用的频率率高，且且成本低低。微波波滤波器器被广泛泛的应用用于微波波通信、雷达导导航、电电子对抗抗、卫星星接力、导弹制制导、测测试仪表表等系统统中，是是微波和和毫米波波系统中中不可缺缺少的器器件，其其性能的的优劣往往往直接

15、接影响整整个通信信系统的的性能。它的应应用领域域很广，以手机机为例，20005年中国国的手机机年销售售量为664000万部，而且中中国手机机市场将将以每年年20%的速度度增长，在两三三年内销销售量将将达到11亿部。由此可可见，微微波介质质陶瓷在在商业应应用上有有极大的的发展空空间和市市场。七、国外外研究开开发与应应用情况况目前，国国外已有有相应公公司在大大量生产产微滤波波器器件件，比较较著名的的公司有有美国的的DLII、TRRANSS-TEECH、日本MMURAATA、英国的的FILLTROONICC公司等等。他们们生产的的各种微微波介质质陶瓷滤滤波器、双工器器、谐振振器、介介质天线线等产品品

16、已用于于微波基基地站、手机及及无绳电电话等产产品中，取得了了显著的的经济和和社会效效益。在介质滤滤波器制制作领域域最成熟熟的是日日本村田田制作所所制作的的MB系系列一体体化的介介质滤波波器。这这种滤波波器虽然然是用普普通的陶陶瓷介质质材料和和电极制制作，以以高频电电路设计计技术为为基础，但是它它极大地地推进了了移动通通信终端端市场的的发展。为了减减小体积积，村田田公司开开发出MMB型片片式介质质滤波器器，它是是由2-3个同同轴谐振振器整块块连体构构成，而而无需电电路基板板、耦合合器、外外罩等。PHSSl9000用最最小的22级带通通滤波器器仅3.844.32.00 mmm3，而相相对应的的2级

17、耦耦合型介介质滤波波器只能能达7.088.03.77 mmm3 。比较典型型的几种种滤波器器分别是是：普通通型DPP系列、普通型型FB系系列和MMB系列列介质滤滤波器。1)普普通型DDP系列列产品是是一只表表面安装装型滤波波器，方方形介质质谐振器器和电路路耦合器器件在PPCB上上单独安安装，输输入、输输出和接接地端均均采用PPCB板板表面电电极。同同采用金金属壳的的表面安安装型滤滤波器相相比，普普通型DDP系列列的滤波波器地面面平整度度有很大大改进，再流焊焊性也提提高了。而且，它的输输入和输输出端在在PCBB上不再再需要专专门的空空间，减减小了它它的安装装面积。这样谐谐振器的的尺寸和和耦合电电

18、路的设设计就有有了灵活活性，易易于适应应性能要要求。但但是，最最大的不不足是生生产工序序复杂，费工时时。所以以，减小小成本最最根本的的问题是是要实现现生产过过程中的的自动化化。2)普通型型FB系系列。普普通FBB系列产产品为一一体型滤滤波器，由介质质组合构构成的多多级谐振振器，输输入、输输出端和和壳体构构成，FFP系列列产品与与DP系系列相比比，需要要的元件件数量少少，成本本低。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，谐振器器同外部部元件的的耦合则则通过模模制树脂脂金属插插头插进进介质上上的耦合合孔实现现。该产品因因体积小小而受到到欢迎，但其不不足在于于耦合由由组合介介质上的

19、的耦合孔孔控制，设计自自由度比比DP系系列差。村田制制作所开开发的MMB系列列介质滤滤波器，主要考考虑的是是降低尺尺寸和成成本，同同时保持持普通型型器件的的性能。为了达达到这个个目的，研究人人员将器器件设计计成一体体型(圆圆形同轴轴)轴对对称结构构。器件件整个表表面除输输入、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，电性能能通过调调整空隙隙位置和和宽度而而定。使使滤波器器品种适适合于生生产过程程自动化化，制造造谐振器器的陶瓷瓷材料用用高度绝绝缘材料料，电极极则是镀镀铜

20、的。谐振器器在介质质中进行行电磁耦耦合，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，该该合成的的滤波器器装有耦耦合所需需的零部部件，使使其能够够达到单单个滤波波器的目目标。在在普通器器件上没没有焊接接元件，这大大大增强了了其可靠靠性。部部件底端端部分或或者全部部用陶瓷瓷材料制制成，以以消除由由于平底底而引起起的任何何问题。同时也也能实现现很好的的再流焊焊性，同同轴圆孔孔为一环环路以保保证高QQ0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

21、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。西门子公公司研制制的3级级整块联联体型片片式介质质滤波器器，尺寸寸规格仅仅8.887.452.775 mmm3-5754.002.95 mm33，适用用于ISSM9115、GGPSll5000、PCCNPPCSll8000、PHHSl9900。W-LLAN224500的最小小型仅为为3.22555.01.99mm33。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、双信等等公

22、司先先后开发发出适合合于表面面贴装的的同类新新产品。因价格格因素而而首先在在DECCT、PPHS、ISMM等无绳绳电话中中使用，逐渐在在PDCC、PCCN、PPCS、GSMM、W-CDMMA等蜂蜂窝电话话中推广广。近来来更有22.4GGHz、5.22GHzz、5.7GHHz的WW-LAAN方向向应用的的趋势。八、美国国DLLL公司生生产的滤滤波器表1 DDLI公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率（GHHz）材料代号号3dB带带宽（MMHz）滤波器类类型极点数目目通带内插插损（ddB）低端-440 ddB点（GHzz）高端-440 ddB点（GHzz）装贴代码码长英寸（毫毫

23、米）宽英寸（毫毫米）2.144CF350(16%)Inteerdiig71.81.82.366S0.7440(118.88)0.4000(110.22)3.5CF165(5%)SDRMMF122.53.0883.9M0.9000(222.99)0.3330(88.4)4.2CF250(6%)SDRMMF122.43.6334.722M0.9000(222.99)0.3330(88.4)5.6CF410(7%)EdgeeCpll52.25.2116.133M0.9225(223.55)0.2660(66.6)6CF590(10%)SDRMMF163.75.6226.533M0.7000(117.

24、88)0.3330(88.4)6.5CF390(6%)SDRMMF162.75.9667.244M0.7000(117.88)0.3330(88.4)9.7CF420(4%)End Cpll 72.99.36610.004M1.5000(338.11)0.1000(22.5)37FS760(2%)End Cpll32.234.88339.667M0.3225(88.3)0.1000(22.5)表2 DDLI公公司微波波基板材材料的性性能与典典型应用用基板材料料介电常数数和公差差损耗角热膨胀系系数（pppm/K）电容温度度系数（ppmm/表面粗糙糙度(微微英寸)应用及注注释熔融石英英（SiiO2）QZZ/FSS3.8221MHHz HYPERLINK mailto:0.0000011511M