現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)講座(4-1微波陶瓷材料).ppt

微波陶瓷材料 序言 在過(guò)去的10多年里用于制作介質(zhì)諧振器和介質(zhì)濾波器的高介電常數(shù)介質(zhì)材料有了令人矚目進(jìn)展 在材料的介電常數(shù) 損耗和溫度穩(wěn)定性等方面都有了很大提高 同時(shí) 價(jià)格也不斷降低 所以 介質(zhì)諧振器 介質(zhì)濾波器和介質(zhì)天線(xiàn)被廣泛應(yīng)用于通訊 雷達(dá)和導(dǎo)航等領(lǐng)域 在基站用濾波器領(lǐng)域 同軸諧振腔濾波器的統(tǒng)治地位正受到來(lái)于自介質(zhì)濾波器的挑戰(zhàn) 2004年 RaafatR Mansour在IEEEMicrowaveMagazine上撰文預(yù)測(cè) 在未來(lái)5年之內(nèi) 介質(zhì)濾波器將會(huì)占有基站濾波器市場(chǎng)很大的份額 因此 重視基站用介質(zhì)濾波器技術(shù)的發(fā)展 掌握基站用濾波器設(shè)計(jì)與制作技術(shù)是非常重要的 什么是高介電常數(shù)微波介質(zhì)材料 高介電常數(shù)微波介質(zhì)材料實(shí)質(zhì)上是一種陶瓷材料 國(guó)外 七十年代以前把高介電常數(shù)微波介質(zhì)材料稱(chēng)為特種陶瓷 早在1939年R D Rechtmeyer就做出了介質(zhì)諧振器和濾波器 開(kāi)始人們主要使用金紅石 TiO2 陶瓷制作介質(zhì)濾波器 但是 TiO2的溫漂很大達(dá)到500PPm Co 用這種材料制作的濾波器在X波段溫漂可達(dá)到4MHz Co 對(duì)微波介質(zhì)材料的使用有很大的限制 上世紀(jì)80年代 微波介質(zhì)材料的生產(chǎn)技術(shù)有了很大的發(fā)展 出現(xiàn)了多種新型微波陶瓷材料 特別是鋇 鉭系陶瓷材料的出現(xiàn) 使微波介質(zhì)陶瓷進(jìn)入了實(shí)用階段 這種陶瓷材料的介電常數(shù)可以達(dá)到35 溫漂小于2PPm Co Q值達(dá)到15000 用這種陶瓷材料制成的介質(zhì)諧振器溫度穩(wěn)定性可以達(dá)到殷鋼腔體的水平 此后 微波陶瓷材料進(jìn)入大規(guī)模實(shí)際使用階段 在衛(wèi)星通訊 雷達(dá)和蜂窩電話(huà)系統(tǒng)中都有廣泛使用 微波介質(zhì)材料的主要特性 介質(zhì)材料的三要素 1 介電常數(shù) 基站用 手機(jī)用 2 溫度系數(shù) 3 損耗或品質(zhì)因數(shù)Q 介電常數(shù)的溫度系數(shù) 介質(zhì)材料的線(xiàn)膨脹系數(shù) 基站用介質(zhì)濾波器對(duì)介質(zhì)材料的要求高介電常數(shù) 介電常數(shù)越大 諧振器的體積就可以做小 通常要求介電常數(shù)大于30為佳 高Q值 一般Q值大于3000以上 低溫漂 溫度系數(shù)小振蕩頻率比較穩(wěn)定 一般要求為宜 目前一些常用高介電常數(shù)微波介質(zhì)材料的特性 通訊領(lǐng)域微波高介電常數(shù)介質(zhì)材料的發(fā)展史 在手機(jī)技術(shù)發(fā)展的初期 殷鋼空氣填充諧振腔被用于基站和手持系統(tǒng)的諧振器和濾波器 這些諧振器和濾波器體積大又笨重 在1980前后 用 Mg Ca TiO3 ZrTiO4 和BaTi4O9制作的第一代介質(zhì)諧振器開(kāi)始取代基站系統(tǒng)中使用的空氣填充的諧振器和濾波器 在上世紀(jì)90年代初期 用于基站和手機(jī)的介質(zhì)材料開(kāi)始發(fā)生分裂 基站需要的是高Q值的介質(zhì)材料 通常 Q值在40000 Q f0 250000 材料的相對(duì)介電常數(shù)50 r 25 與基站用介質(zhì)材料不同的是手機(jī)用介質(zhì)材料被小型化主導(dǎo) 材料的介電常數(shù)達(dá)到70 r 120 這時(shí) 決定諧振器Q值的主要因素不是介質(zhì)材料而是金屬化 現(xiàn)在 在手機(jī)領(lǐng)域射頻濾波器主要使用的是聲表面波 SAW 和體聲波 BAW 器件 它的體積更小 通訊領(lǐng)域微波高介電常數(shù)介質(zhì)材料的發(fā)展史 表一 列出了幾種基站濾波器使用的高介電常數(shù)材料 僅有的例外是Ba4Nd9 33Ti18O54 BNT 基系列材 料早期被用于數(shù)字電視接收系統(tǒng) 目前在基站諧振器市場(chǎng)占主導(dǎo)的是CaTiO3 NdAlO3 CTNA 和ZrTiO4 ZnNb2O6 ZTZN 基系列材料 近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的Ba Co Zn 1 3Nb2 3O3 BCZN 基系列材料以其低廉的價(jià)格正在逐步取代價(jià)格昂貴的BaZn1 3Ta2 3O3 BZT 基系列材料 微波介質(zhì)材料最近十多年發(fā)展的路標(biāo) 國(guó)外微波陶瓷材料的主要生產(chǎn)廠(chǎng)商 目前 微波陶瓷材料和器件生產(chǎn)水平比較高的公司有 日本Murata公司德國(guó)EPCOS S M 公司美國(guó)TransTech公司英國(guó)MorganElectroCeramics公司等 日本Murata公司部分產(chǎn)品性能 r 36 40 40 7GHz7GHz Q 6000000 r 37 4040 7GHz7GHz Q 7000000 r 33 36 10GHz10GHz Q 10000000 r 29 3131 l0GHzGHz Q 1200012000 r 27 2929 10GHz10GHz Q 1500015000 r 24 2525 10GHz10GHz Q 20000000 r 23 2424 10GHz10GHz Q 35000000 r 66 4 0 6 7GHz7GHz Q 2000000 r 21 421 4 1 7GHz7GHz Q 2000000 r 9292 1 1GHz1GHz Q 550 德國(guó)EPCOS S M 公司部分產(chǎn)品性能 r 21 7GHzQ 7200 鎂 鈣系列陶瓷 MgTiO3 CaTiO3 r 38 7GHzQ 6300 鋯 錫系列陶瓷 Zr Sn TiOZr r 29 10GHzQ 9500 鋇系陶瓷 Ba Zr Zn Za O3 r 88 2 3GHzQ 2300 BaO PbO Nd2O3 TiO2 美國(guó)TransTech公司部分產(chǎn)品性能 r 29 0 30 7 2GHzQ 50000 r 34 6 36 7 2GHzQ 35000 r 44 7 46 2 4 36GHzQ 9500 r 35 0 36 5 4 5GHzQ 9500 r 27 6 30 6 10GHza 10000 介質(zhì)諧振器頻率覆蓋800MHz 40GHz系列化 f 1或 2 PPm Co 英國(guó)MorganElectroCeramics公司 覆蓋600MHz 25GHz r 20 12GHz Q 6 000 MgCaTi系列 r 30 10GHz Q 12 600 BaZnTi系列 r 37 9GHz Q 5 800 ZrSnTi系列 r 43 2GHz Q 20 000 r 77 5GHz Q 10 000 r 885GHzQ 1 100 BaNdTi系列 國(guó)內(nèi)微波陶瓷材料的主要生產(chǎn)廠(chǎng)商 浙江正原電氣股份有限公司 潮州三環(huán) 集團(tuán) 股份有限公司 景華電子有限責(zé)任公司 999廠(chǎng) 蘇州捷嘉電子有限公司 浙江嘉康電子有限公司 福建南安訊通電子公司等 在技術(shù)水平 產(chǎn)品品種和生產(chǎn)規(guī)模上與國(guó)外相比有較大差距 國(guó)內(nèi)微波陶瓷的主要研究單位 上海大學(xué)天津大學(xué) 上海同濟(jì)大學(xué) 華中科技大學(xué) 浙江大學(xué) 廈門(mén)大學(xué)承擔(dān)了國(guó)家863計(jì)劃中相應(yīng)課題 并取得了一定成果 電子科技大學(xué) 清華大學(xué) 華南工學(xué)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 蘭州大學(xué) 西安交通大學(xué) 北京科技大學(xué) 電子13所 電子9所和中科院上海硅酸鹽研究所等也對(duì)微波介質(zhì)陶瓷材料及元器件進(jìn)行了研究 國(guó)產(chǎn)微波陶瓷材料的技術(shù)參數(shù) 82 82 1 QF 8000GHZ f 0 5ppm 用于移動(dòng)電話(huà)GPS 91 1 QF 5000GHZ f5000GHZ f100 QF 3600GHZ f35 1 QF 80000GHZ f 0 5ppm 用于衛(wèi)星通訊和移動(dòng)電話(huà)基站 25 1 QF 150000GHZ f 0 5ppm 用于衛(wèi)星通訊 天津大學(xué) r 24 BaMg1 3Ta2 3O3系統(tǒng) 12 44mmx5 39mm7 4652GHz Qf 172 000頻率溫度系數(shù) f 4 80PPm r 23 Mg2TiO4系統(tǒng) 12 74mmx5 88mm7 2297GHz Qf 69 000GHz頻率溫度系數(shù) f 13 6PPm 6 上海大學(xué) r 30 10GHz Qf 100 000GHz