微波介質(zhì)諧振器的發(fā)展和應(yīng)用前景

1、.：.；微波介質(zhì)諧振器的開展和運(yùn)用前景成都微波技術(shù)支持工程師：鄭國全微波是什么微波是指頻率300MHz-3000GHz的電磁波，是無線電波中的一個頻段，即波長在1米不含1米到0.1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比普通的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波，微波作為一種電磁波具有波粒二象性。二、微波的特性微波的根本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使本身發(fā)熱。而對金屬類東西，那么會反射微波。 從電子學(xué)和物理學(xué)觀念來看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的如下重要特點：穿透性

2、 微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時，由于介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)資料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，構(gòu)成體熱源形狀，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時間，物料內(nèi)外加熱均勻一致。選擇性加熱 物質(zhì)吸收微波的才干，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決議。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收才干就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的才干也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差別，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對微波具有強(qiáng)吸收才干。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對

3、較小，其對微波的吸收才干比水小得多。因此對于食品，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。熱慣性小 微波對介質(zhì)資料是瞬時加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率隨時可調(diào)，介質(zhì)溫升可無惰性的隨之改動，不存在“余熱景象，極有利于自動控制和延續(xù)化消費的需求。似光性和似聲性 微波波長很短，比地球上的普通物體如飛機(jī)，艦船，汽車建筑物等尺寸相對要小得多，或在同一量級上。使得微波的特點與幾何光學(xué)類似，即所謂的似光性。因此在微波頻段任務(wù)，能使電路元件尺寸減小，系統(tǒng)更加緊湊?？梢灾瞥审w積小，波束窄方向性很強(qiáng)，增益很高的天線系統(tǒng)，接受地面或空間各種物體反射回來的微弱信號，從而確定物體方位和間隔 ，分析目的特征。

4、 由于微波波長與物體的尺寸有一樣的量級，使得微波的特點又與聲波類似，即所謂的似聲性。例如微波波導(dǎo)類似于聲學(xué)中的傳聲筒；喇叭天線和縫隙天線類似于聲學(xué)喇叭及蕭與笛；微波諧振腔類似于聲學(xué)共鳴腔。非電離性 微波的量子能量還不夠大，缺乏以改動物質(zhì)分子的內(nèi)部構(gòu)造或破壞分子之間的化學(xué)鍵。再從物理學(xué)角度看，分子原子在外加電磁場的作用下所呈現(xiàn)的許多共振景象都發(fā)生在微波范圍，因此微波為探求物質(zhì)的內(nèi)部構(gòu)造和根本特性提供了有效的研討手段。利用這一特性，還可以制造許多微波器件信息性 由于微波頻率很高，所以在不大的相對帶寬下，其可用的頻帶很寬，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲。這是低頻無線電波無法比較的。這意味著微波的信息容量大，

5、所以現(xiàn)代多路通訊系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，幾乎無一例外都是任務(wù)在微波波段。另外，微波信號還可以提供相位信息，極化信息，多普勒頻率信息。這在目的檢測，遙感目的特征分析等運(yùn)用中非常重要微波還具有其它所謂的非熱效應(yīng)，如電效應(yīng)、磁效應(yīng)及化學(xué)效應(yīng)等，根據(jù)這些效應(yīng)，我們可以開發(fā)出微波的更多運(yùn)用領(lǐng)域。三、微波的用途微波成為一門技術(shù)科學(xué)，開場于20世紀(jì)30年代。微波技術(shù)的構(gòu)成以波導(dǎo)管的實踐運(yùn)用為其標(biāo)志，假設(shè)干方式的微波電子管(速調(diào)管、磁控管、行波管等)的發(fā)明是另一標(biāo)志。 在第二次世界大戰(zhàn)中，微波技術(shù)得到飛躍開展。因戰(zhàn)爭需求，微波研討的焦點集中在雷達(dá)方面，由此而帶動了微波元件和器件、高功率微波管、微波電路和微波丈

6、量等技術(shù)的研討和開展。至今，微波技術(shù)已成為一門無論在實際和技術(shù)上都相當(dāng)成熟的、又是不斷向縱深開展的學(xué)科。 微波振蕩源的固體化以及微波系統(tǒng)的集成化是現(xiàn)代微波技術(shù)開展的兩個重要方向。固態(tài)微波器件在功率和頻率方面的進(jìn)展，使得很多微波系統(tǒng)中常規(guī)的微波電子管已為或?qū)楣腆w源所取代。固態(tài)微波源的開展也促進(jìn)了微波集成電路的研討。 頻率不斷向更高范圍推進(jìn)，依然是微波研討和開展的一個主要趨勢。 微波的開展還表如今運(yùn)用范圍的擴(kuò)展。微波的最重要運(yùn)用是雷達(dá)和通訊。雷達(dá)不僅用于國防，同時也用于導(dǎo)航、氣候丈量、大地丈量、工業(yè)檢測和交通管理等方面。通訊運(yùn)用主要是現(xiàn)代的衛(wèi)星通訊和常規(guī)的中繼通訊。射電望遠(yuǎn)鏡、微波加速器等對于物

7、理學(xué)、天文學(xué)等的研討具有重要意義。毫米波微波技術(shù)對控制熱核反響的等離子體丈量提供了有效的方法。微波遙感已成為研討天體、氣候和大地丈量、資源勘探等的重要手段。微波在工業(yè)消費、農(nóng)業(yè)科學(xué)等方面的研討，以及微波在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面的研討和開展已越來越遭到注重。 微波與其他學(xué)科相互浸透而構(gòu)成假設(shè)干重要的邊緣學(xué)科，其中如微波天文學(xué)、微波氣候?qū)W、微波波譜學(xué)、量子電動力學(xué)、微波半導(dǎo)體電子學(xué)、微波超導(dǎo)電子學(xué)等，曾經(jīng)比較成熟。微波聲學(xué)的研討和運(yùn)用曾經(jīng)成為一個活潑的領(lǐng)域。微波光學(xué)的開展，特別是70年代以來光纖技術(shù)的開展，具有技術(shù)變革的意義。 四、微波介質(zhì)陶瓷是什么？ 微波介質(zhì)陶瓷是近二十多年開展起來的一種新型功能陶

8、瓷資料。它是制造微波介質(zhì)諧振器和濾波器的關(guān)鍵資料，近年來研討非?；顫姟Ｋ谠瓉砦⒉ㄨF氧體的根底上，對配方和制造工藝都進(jìn)展了大幅的晉級換代，使之具有高介電常數(shù)、低微波損耗、溫度系數(shù)小等優(yōu)良性能，適于制造現(xiàn)代各種微波器件， 如電子對抗、導(dǎo)航、通訊、雷達(dá)、家用衛(wèi)星直播電視接納機(jī)和挪動等設(shè)備中的穩(wěn)頻振蕩器、濾波器和鑒頻器，能滿足微波電路小型化、集成化、高可靠性和低本錢的要求。隨著挪動通訊和現(xiàn)代電子設(shè)備的開展，微波介質(zhì)陶瓷的研討越來越遭到人們的注重，承載著未來微波器件的無限希望。五、為什么要運(yùn)用介質(zhì)諧振器？正是隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的迅速開展，通訊設(shè)備運(yùn)用要求的特殊性使得人們對通訊系統(tǒng)配備的分量和尺寸要求越來

9、越高，特別是對挪動通訊系統(tǒng)中濾波器的小型化、輕便化、高頻化、低功耗化方面的要求越來越加強(qiáng)。然而，當(dāng)前常見的濾波器存在著各自的缺陷，比如：采用微帶構(gòu)造及金屬諧振器構(gòu)成的濾波器、雙工器要實現(xiàn)小型化難度太大；聲外表波濾波器雖然可以減小電路尺寸，但由于功率容量小及插入損耗大的缺乏，其運(yùn)用范圍遭到了限制。所幸的是，隨著現(xiàn)代資料科學(xué)與電子信息科學(xué)技術(shù)的交叉浸透，新資料和制造工藝技術(shù)的開展，如薄膜工藝技術(shù)、單片集成電路、MEMS、LTCC等工藝，極大地帶動了微帶及基于薄膜技術(shù)的濾波器設(shè)計、加工與運(yùn)用的飛速開展，因此，全固態(tài)化的各類微型片式中頻、高頻、微波濾波器向著高性能、低本錢、小型化、更高頻化等各方面飛快

10、開展。微波介質(zhì)諧振器構(gòu)成了微波器件小型化的根底，它具有三個非常顯著的特點：1、有非常高的介電常數(shù)，我們知道，諧振器的尺寸和電介質(zhì)資料的介電常數(shù)的平方根成反比。所以電介質(zhì)資料的介電常數(shù)越大，所需求的電介質(zhì)陶瓷塊體就越小，諧振器的尺寸也就越小。2、有非常小的頻率溫度系數(shù)，己適用化的微波介質(zhì)陶瓷資料的頻率溫度系數(shù)可達(dá)f=0)，就是接近于零的頻率溫度系數(shù) ppm/，從而可以實現(xiàn)器件的高穩(wěn)定性和高可靠性。 3、極高的質(zhì)量要素Q。濾波器的一個重要要求是插入損耗低，微波介質(zhì)資料Q值與介質(zhì)損耗tand成反比關(guān)系。Q值越大，濾波器的插入損耗就越低。 綜上所述，介質(zhì)陶瓷資料現(xiàn)正以極快的開展速度席卷微波市場，掌握新

11、型陶瓷資料的配方成了各個微波廠商竟相追逐的新寵。六、介質(zhì)諧振器的用途微波介質(zhì)陶瓷主要用于用作諧振器、濾波器、介質(zhì)天線、介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件。微波介質(zhì)濾波器的優(yōu)點是微型化、損耗低，頻率溫度系數(shù)小、介電常數(shù)高、本錢低等。與金屬諧振濾波器相比，它具有微型化的優(yōu)點，其體積只需前者的幾非常之一；與聲外表濾波器相比，它運(yùn)用的頻率高，且本錢低。微波濾波器被廣泛的運(yùn)用于微波通訊、雷達(dá)導(dǎo)航、電子對抗、衛(wèi)星接力、導(dǎo)彈制導(dǎo)、測試儀表等系統(tǒng)中，是微波和毫米波系統(tǒng)中不可短少的器件，其性能的優(yōu)劣往往直接影響整個通訊系統(tǒng)的性能。它的運(yùn)用領(lǐng)域很廣，以手機(jī)為例，2005年中國的手機(jī)年銷售量為6400萬部，而且中國手機(jī)市場將

12、以每年20%的速度增長，在兩三年內(nèi)銷售量將到達(dá)1億部。由此可見，微波介質(zhì)陶瓷在商業(yè)運(yùn)用上有極大的開展空間和市場。七、國外研討開發(fā)與運(yùn)用情況目前，國外已有相應(yīng)公司在大量消費微濾波器器件，比較著名的公司有美國的DLI、TRANS-TECH、日本MURATA、英國的FILTRONIC公司等。他們消費的各種微波介質(zhì)陶瓷濾波器、雙工器、諧振器、介質(zhì)天線等產(chǎn)品已用于微波基地站、手機(jī)及無繩等產(chǎn)品中，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在介質(zhì)濾波器制造領(lǐng)域最成熟的是日本村田制造所制造的MB系列一體化的介質(zhì)濾波器。這種濾波器雖然是用普通的陶瓷介質(zhì)資料和電極制造，以高頻電路設(shè)計技術(shù)為根底，但是它極大地推進(jìn)了挪動通訊終端市

13、場的開展。為了減小體積，村田公司開發(fā)出MB型片式介質(zhì)濾波器，它是由2-3個同軸諧振器整塊連體構(gòu)成，而無需電路基板、耦合器、外罩等。PHSl900用最小的2級帶通濾波器僅3.84.32.0 mm3，而相對應(yīng)的2級耦合型介質(zhì)濾波器只能達(dá)7.08.03.7 mm3 。比較典型的幾種濾波器分別是：普通型DP系列、普通型FB系列和MB系列介質(zhì)濾波器。1)普通型DP系列產(chǎn)品是一只外表安裝型濾波器，方形介質(zhì)諧振器和電路耦合器件在PCB上單獨安裝，輸入、輸出和接地端均采用PCB板外表電極。同采用金屬殼的外表安裝型濾波器相比，普通型DP系列的濾波器地面平整度有很大改良，再流焊性也提高了。而且，它的輸入和輸出端在

14、PCB上不再需求專門的空間，減小了它的安裝面積。這樣諧振器的尺寸和耦合電路的設(shè)計就有了靈敏性，易于順應(yīng)性能要求。但是，最大的缺乏是消費工序復(fù)雜，費工時。所以，減小本錢最根本的問題是要實現(xiàn)消費過程中的自動化。2)普通型FB系列。普通FB系列產(chǎn)品為一體型濾波器，由介質(zhì)組合構(gòu)成的多級諧振器，輸入、輸出端和殼體構(gòu)成，F(xiàn)P系列產(chǎn)品與DP系列相比，需求的元件數(shù)量少，本錢低。諧振器件之間的耦合是經(jīng)過介質(zhì)上的耦合孔控制，諧振器同外部元件的耦合那么經(jīng)過模制樹脂金屬插頭插進(jìn)介質(zhì)上的耦合孔實現(xiàn)。該產(chǎn)品因體積小而遭到歡迎，但其缺乏在于耦合由組合介質(zhì)上的耦合孔控制，設(shè)計自在度比DP系列差。村田制造所開發(fā)的MB系列介質(zhì)濾

15、波器，主要思索的是降低尺寸和本錢，同時堅持普通型器件的性能。為了到達(dá)這個目的，研討人員將器件設(shè)計成一體型(圓形同軸)軸對稱構(gòu)造。器件整個外表除輸入、輸出端調(diào)和振器導(dǎo)體外，全部設(shè)計為一個電極，從性能上講，諧振器內(nèi)部不插入任何導(dǎo)體電極的空隙用于產(chǎn)生懸空電容，同時作為諧振器的開端，電性能經(jīng)過調(diào)整空隙位置和寬度而定。使濾波器種類適宜于消費過程自動化，制造諧振器的陶瓷資料用高度絕緣資料，電極那么是鍍銅的。諧振器在介質(zhì)中進(jìn)展電磁耦合，同時與外面的元件也能電容耦合。諧振器件間的耦合元件及諧振器同外部的耦合元件都是同諧振器分開的。因此，該合成的濾波器裝有耦合所需的零部件，使其可以到達(dá)單個濾波器的目的。在普通器

16、件上沒有焊接元件，這大大加強(qiáng)了其可靠性。部件底端部分或者全部用陶瓷資料制成，以消除由于平底而引起的任何問題。同時也能實現(xiàn)很好的再流焊性，同軸圓孔為一環(huán)路以保證高Q0值。歐洲無繩采用的兩級濾波器同普通濾波器相比，每一濾波器容量的Q0值提高了40。并且，這種產(chǎn)品的衰減電極(這是挪動通訊譽(yù)濾波器所要求的)設(shè)計成無論在低頻端或高頻端均能經(jīng)過采用多級阻抗諧振器構(gòu)造進(jìn)展控制。西門子公司研制的3級整塊聯(lián)體型片式介質(zhì)濾波器，尺寸規(guī)格僅8.87.452.75 mm3-5754.02.95 mm3，適用于ISM915、GPSl500、PCNPCSl800、PHSl900。W-LAN2450的最小型僅為3.255.

17、01.9mm3。1990年日本住友公司提出低溫共燒多層介質(zhì)平面型濾波器的想象。以后，松下、日本、飛利浦、雙信等公司先后開發(fā)出適宜于外表貼裝的同類新產(chǎn)品。因價錢要素而首先在DECT、PHS、ISM等無繩中運(yùn)用，逐漸在PDC、PCN、PCS、GSM、W-CDMA等蜂窩中推行。近來更有2.4GHz、5.2GHz、5.7GHz的W-LAN方向運(yùn)用的趨勢。八、美國DLL公司消費的濾波器 表1 DLI公司消費的片式微波介質(zhì)濾波器主要性能中心頻率GHz資料代號3dB帶寬MHz濾波器類型極點數(shù)目通帶內(nèi)插損dB低端-40 dB點GHz高端-40 dB點GHz裝貼代碼長英寸毫米寬英寸毫米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公司微波基板資料的性能與典型運(yùn)用基板資料介電常數(shù)和公差損耗角熱膨脹系數(shù)ppm/K電容溫度系數(shù)ppm/外表粗糙度(微英寸)運(yùn)用及注釋熔融石英SiO2QZ/FS3.821MHz HYPERLINK mailto:0.0000151MHz 0.0000151MHz0.0003324GH