微波介质谐振器的发展和应用前景

微波介质谐振器的发展和应用前景成都微波技术支持工程师：郑国全一、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。微波频率比一般的无线电波频率高，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、微波的特性微波的基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自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。从电子学和物理学观点来看，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，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，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能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，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，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。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材料是瞬时加热升温，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变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。似光性和似声性微波波长很短，比地球上的一般物体（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相似，即所谓的似光性。因此在微波频段工作，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，接受来自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距离，分析目标特征。由于微波波长与物体的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，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，不足以改变物质分子的内部结构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现象都发生在微波范围，因而微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。利用这一特性，还可以制作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拟的。这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无一例外都是工作在微波波段。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。这在目标检测，遥感目标特征分析等应用中十分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应用领域。三、微波的用途微波成为一门技术科学，开始于20世纪30年代。微波技术的形成以波导管的实际应用为其标志，若干形式的微波电子管(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，微波技术得到飞跃发展。因战争需要，微波研究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、微波电路和微波测量等技术的研究和发展。至今，微波技术已成为一门无论在理论和技术上都相当成熟的、又是不断向纵深发展的学科。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发展的两个重要方向。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。固态微波源的发展也促进了微波集成电路的研究。频率不断向更高范围推进，仍然是微波研究和发展的一个主要趋势。微波的发展还表现在应用范围的扩大。微波的最重要应用是雷达和通信。雷达不仅用于国防，同时也用于导航、气象测量、大地测量、工业检测和交通管理等方面。通信应用主要是现代的卫星通信和常规的中继通信。射电望远镜、微波加速器等对于物理学、天文学等的研究具有重要意义。毫米波微波技术对控制热核反应的等离子体测量提供了有效的方法。微波遥感已成为研究天体、气象和大地测量、资源勘探等的重要手段。微波在工业生产、农业科学等方面的研究，以及微波在生物学、医学等方面的研究和发展已越来越受到重视。微波与其他学科互相渗透而形成若干重要的边缘学科，其中如微波天文学、微波气象学、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，已经比较成熟。微波声学的研究和应用已经成为一个活跃的领域。微波光学的发展，特别是70年代以来光纤技术的发展，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发展起来的一种新型功能陶瓷材料。它是制造微波介质谐振器和滤波器的关键材料，近年来研究十分活跃。它在原来微波铁氧体的基础上，对配方和制作工艺都进行了大幅的升级换代，使之具有高介电常数、低微波损耗、温度系数小等优良性能，适于制作现代各种微波器件，如电子对抗、导航、通讯、雷达、家用卫星直播电视接收机和移动电话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、高可靠性和低成本的要求。随着移动通信和现代电子设备的发展，微波介质陶瓷的研究越来越受到人们的重视，承载着未来微波器件的无限希望。五、为什么要使用介质谐振器？正是随着现代通信技术的迅速发展，通信设备使用要求的特殊性使得人们对通信系统装备的重量和尺寸要求越来越高，特别是对移动通信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点，比如：采用微带结构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；声表面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不足，其应用范围受到了限制。所幸的是，随着现代材料科学与电子信息科学技术的交叉渗透，新材料和制造工艺技术的发展，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、加工与应用的飞速发展，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、低成本、小型化、更高频化等各方面飞快发展。微波介质谐振器构成了微波器件小型化的基础，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材料的介电常数的平方根成反比。所以电介质材料的介电常数越大，所需要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，己实用化的微波介质陶瓷材料的频率温度系数可达τf=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、极高的品质因素Q。滤波器的一个重要要求是插入损耗低，微波介质材料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，介质陶瓷材料现正以极快的发展速度席卷微波市场，掌握新型陶瓷材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、成本低等。与金属谐振滤波器相比，它具有微型化的优点，其体积只有前者的几十分之一；与声表面滤波器相比，它使用的频率高，且成本低。微波滤波器被广泛的应用于微波通信、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缺少的器件，其性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能。它的应用领域很广，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以每年20%的速度增长，在两三年内销售量将达到1亿部。由此可见，微波介质陶瓷在商业应用上有极大的发展空间和市场。七、国外研究开发与应用情况目前，国外已有相应公司在大量生产微滤波器器件，比较著名的公司有美国的DLI、TRANS-TECH、日本MURATA、英国的FILTRONIC公司等。他们生产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、手机及无绳电话等产品中，取得了显著的经济和社会效益。在介质滤波器制作领域最成熟的是日本村田制作所制作的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材料和电极制作，以高频电路设计技术为基础，但是它极大地推进了移动通信终端市场的发展。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3.8×4.3×2.0mm3，而相对应的2级耦合型介质滤波器只能达7.0×8.0×3.7mm3。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系列产品是一只表面安装型滤波器，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板表面电极。同采用金属壳的表面安装型滤波器相比，普通型DP系列的滤波器地面平整度有很大改进，再流焊性也提高了。而且，它的输入和输出端在PCB上不再需要专门的空间，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活性，易于适应性能要求。但是，最大的不足是生产工序复杂，费工时。所以，减小成本最根本的问题是要实现生产过程中的自动化。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，需要的元件数量少，成本低。谐振器件之间的耦合是通过介质上的耦合孔控制，谐振器同外部元件的耦合则通过模制树脂金属插头插进介质上的耦合孔实现。该产品因体积小而受到欢迎，但其不足在于耦合由组合介质上的耦合孔控制，设计自由度比DP系列差。村田制作所开发的MB系列介质滤波器，主要考虑的是降低尺寸和成本，同时保持普通型器件的性能。为了达到这个目的，研究人员将器件设计成一体型(圆形同轴)轴对称结构。器件整个表面除输入、输出端和谐振器导体外，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，电性能通过调整空隙位置和宽度而定。使滤波器品种适合于生产过程自动化，制造谐振器的陶瓷材料用高度绝缘材料，电极则是镀铜的。谐振器在介质中进行电磁耦合，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，使其能够达到单个滤波器的目标。在普通器件上没有焊接元件，这大大增强了其可靠性。部件底端部分或者全部用陶瓷材料制成，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。欧洲无绳电话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(这是移动通信用滤波器所要求的)设计成无论在低频端或高频端均能通过采用多级阻抗谐振器结构进行控制。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8.8×7.45×2.75mm3-5．75×4.0×2.95mm3，适用于ISM915、GPSl500、PCN／PCSl800、PHSl900。W-LAN2450的最小型仅为3.25×5.0×1.9mm3。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构想。此后，松下、日本、飞利浦、双信等公司先后开发出适合于表面贴装的同类新产品。因价格因素而首先在DECT、PHS、ISM等无绳电话中使用，逐渐在PDC、PCN、PCS、GSM、W-CDMA等蜂窝电话中推广。近来更有2.4GHz、5.2GHz、5.7GHz的W-LAN方向应用的趋势。八、美国DLL公司生产的滤波器表1DLI公司