现代滤波器设计讲座(4-1微波陶瓷材料)

电子科技大学贾宝富博士现代滤波器设计讲座（四）微波陶瓷材料序言在过去的10多年里用于制作介质谐振器和介质滤波器的高介电常数介质材料有了令人瞩目进展。在材料的介电常数、损耗和温度稳定性等方面都有了很大提高。同时，价格也不断降低。所以，介质谐振器、介质滤波器和介质天线被广泛应用于通讯、雷达和导航等领域。在基站用滤波器领域，同轴谐振腔滤波器的统治地位正受到来于自介质滤波器的挑战。2004年，RaafatR.Mansour在IEEEMicrowaveMagazine上撰文预测，在未来5年之内，介质滤波器将会占有基站滤波器市场很大的份额。因此，重视基站用介质滤波器技术的发展，掌握基站用滤波器设计与制作技术是非常重要的。什么是高介电常数微波介质材料？高介电常数微波介质材料实质上是一种陶瓷材料。国外，七十年代以前把高介电常数微波介质材料称为特种陶瓷。早在1939年R.D.Rechtmeyer就做出了介质谐振器和滤波器。开始人们主要使用金红石（TiO2）陶瓷制作介质滤波器。但是，TiO2的温漂很大达到500PPm/Co。用这种材料制作的滤波器在X波段温漂可达到4MHz/Co。对微波介质材料的使用有很大的限制。上世纪80年代，微波介质材料的生产技术有了很大的发展。出现了多种新型微波陶瓷材料，特别是钡-钽系陶瓷材料的出现，使微波介质陶瓷进入了实用阶段。这种陶瓷材料的介电常数可以达到35，温漂小于2PPm/Co。Q值达到15000。用这种陶瓷材料制成的介质谐振器温度稳定性可以达到殷钢腔体的水平。此后，微波陶瓷材料进入大规模实际使用阶段。在卫星通讯、雷达和蜂窝电话系统中都有广泛使用。微波介质材料的主要特性介质材料的三要素：1、介电常数2050rr7590r基站用：手机用：2、温度系数f3、损耗或品质因数Q30,000@1QGHz040,000250,000GHzQfGHz()2fL介电常数的温度系数L介质材料的线膨胀系数1tanQ基站用介质滤波器对介质材料的要求高介电常数，介电常数越大，谐振器的体积就可以做小。通常要求介电常数大于30为佳。高Q值，一般Q值大于3000以上。低温漂，温度系数小振荡频率比较稳定。一般要求为宜。20/oppmC目前一些常用高介电常数微波介质材料的特性通讯领域微波高介电常数介质材料的发展史在手机技术发展的初期，殷钢空气填充谐振腔被用于基站和手持系统的谐振器和滤波器。这些谐振器和滤波器体积大又笨重。在1980前后，用(Mg,Ca)TiO3,ZrTiO4,和BaTi4O9制作的第一代介质谐振器开始取代基站系统中使用的空气填充的谐振器和滤波器。在上世纪90年代初期，用于基站和手机的介质材料开始发生分裂。基站需要的是高Q值的介质材料。通常，Q值在40000Q×f0250000,材料的相对介电常数50εr25。与基站用介质材料不同的是手机用介质材料被小型化主导。材料的介电常数达到70εr120。这时，决定谐振器Q值的主要因素不是介质材料而是金属化。现在，在手机领域射频滤波器主要使用的是声表面波(SAW)和体声波(BAW)器件。它的体积更小。通讯领域微波高介电常数介质材料的发展史表一，列出了几种基站滤波器使用的高介电常数材料。仅有的例外是Ba4Nd9.33Ti18O54(BNT)-基系列材料早期被用于数字电视接收系统。目前在基站谐振器市场占主导的是CaTiO3–NdAlO3(CTNA)和ZrTiO4–ZnNb2O6(ZTZN)-基系列材料。近年来发展起来的Ba(Co,Zn)1/3Nb2/3O3(BCZN)-基系列材料以其低廉的价格正在逐步取代价格昂贵的BaZn1/3Ta2/3O3(BZT)-基系列材料。微波介质材料最近十多年发展的路标国外微波陶瓷材料的主要生产厂商目前，微波陶瓷材料和器件生产水平比较高的公司有：日本Murata公司德国EPCOS(S+M)公司美国TransTech公司英国MorganElectroCeramics公司等。日本Murata公司部分产品性能εr=36~40=40，7GHz7GHz，Q6000000；εr=37~4040，7GHz7GHz，Q7000000；εr=33～36，10GHz10GHz，Q10000000；εr=29~3131，l0GHzGHz，Q1200012000；εr=27~2929，10GHz10GHz，Q1500015000；εr=24~2525，10GHz10GHz，Q20000000；εr=23~2424，10GHz10GHz，Q35000000；εr=66．4±0．6，7GHz7GHz，Q2000000：εr=21.421.4±1，7GHz7GHz，Q2000000；εr=9292±1，1GHz1GHz，Q550。德国EPCOS(S+M)公司部分产品性能εr=21@7GHzQ7200，镁-钙系列陶瓷（MgTiO3-CaTiO3），εr=38@7GHzQ6300，锆-锡系列陶瓷（(Zr,Sn)TiOZr），εr=29@10GHzQ9500，钡系陶瓷（Ba(Zr,Zn,Za)O3），εr=88@2.3GHzQ2300，BaO-PbO-Nd2O3-TiO2.美国TransTech公司部分产品性能εr=29.0～30.7@2GHzQ50000，εr=34.6～36.7@2GHzQ35000，εr=44.7～46.2@4.36GHzQ9500，εr=35.0～36.5@4.5GHzQ9500，εr=27.6～30.6@10GHza10000.介质谐振器频率覆盖800MHz~40GHz系列化，τf=(±1或±2)PPm/Co。英国MorganElectroCeramics公司覆盖600MHz~25GHzεr=20,12GHz,Q=6,000，(MgCaTi系列)：εr=30，10GHz，Q=12,600，(BaZnTi系列)：εr=37，9GHz，Q=5,800,(ZrSnTi系列)：εr=43，2GHz，Q=20,000，εr=77，5GHz，Q=10,000，εr=885GHzQ=1,100,(BaNdTi系列)：国内微波陶瓷材料的主要生产厂商浙江正原电气股份有限公司、􀂄潮州三环(集团)股份有限公司、􀂄景华电子有限责任公司(999厂)、􀂄苏州捷嘉电子有限公司、􀂄浙江嘉康电子有限公司、􀂄福建南安讯通电子公司等，在技术水平、产品品种和生产规模上与国外相比有较大差距。国内微波陶瓷的主要研究单位上海大学天津大学、上海同济大学、华中科技大学、浙江大学、厦门大学承担了国家863计划中相应课题，并取得了一定成果。电子科技大学、清华大学、华南工学院、哈尔滨工业大学、兰州大学、西安交通大学、北京科技大学、电子13所、电子9所和中科院上海硅酸盐研究所等也对微波介质陶瓷材料及元器件进行了研究。国产微波陶瓷材料的技术参数ε=82=82±1，QF8000GHZ，τf=0±5ppm/℃，(用于移动电话GPS)；ε=91=±1，QF5000GHZ，τf15ppm/℃，(用于移动电话)；ε=94=±1，QF5000GHZ，τf15ppm/℃，（用于移动电话）；ε100，QF3600GHZ，τf15ppm/℃，（用于移动电话）；ε35±1，QF80000GHZ,τf=0±5ppm/℃，（用于卫星通讯和移动电话基站）；ε=25±1，QF150000GHZ，τf=0±5ppm/℃，（用于卫星通讯）。天津大学εr=24，(BaMg1/3Ta2/3O3系统）Ø12.44mmx5.39mm7.4652GHz，Qf=172,000频率温度系数τf=+4.80PPm/℃εr=23，(Mg2TiO4系统)Ø12.74mmx5.88mm7.2297GHz，Qf=69,000GHz频率温度系数τf=+13,6PPm/6℃。上海大学εr=30，10GHz，Qf100,000GHz；εr=38，10GHz，Qf60,000GHz；εr=80，3GHz，Qf8,000GHz；εr=90，1GHz，Qf5000GHz；新开发εr=25，33和40等三种微波介质陶瓷。电子科技大学εr=24(BaMg1/3Ta2/303系统），Qf120000GHzεr=30(BaZnTa系统)，εr=80(BaNdTi系统)。