介質(zhì)濾波器之一

介質(zhì)濾波器之一第一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六序言

在過去的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，價格也不斷降低。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)治地位正受到來于自介質(zhì)濾波器的挑戰(zhàn)。2004年，RaafatR.Mansour在IEEEMicrowaveMagazine上撰文預(yù)測，在未來5年之內(nèi)，介質(zhì)濾波器將會占有基站濾波器市場很大的份額。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)計與制作技術(shù)是非常重要的。

第二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六什么是高介電常數(shù)微波介質(zhì)材料？高介電常數(shù)微波介質(zhì)材料實質(zhì)上是一種陶瓷材料。在國外，七十年代以前被稱為特種陶瓷。早在1939年R.D.Rechtmeyer就做出了介質(zhì)諧振器。開始，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。這對微波介質(zhì)材料的使用有很大的限制。在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，微波陶瓷材料才進(jìn)入實際使用階段。在衛(wèi)星通訊、雷達(dá)和蜂窩電話系統(tǒng)中得到廣泛使用。第三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六微波介質(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)材料的線膨脹系數(shù)第四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六基站用介質(zhì)濾波器對介質(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。第五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六目前一些常用高介電常數(shù)微波介質(zhì)材料的特性第六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六通訊領(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,材料的相對介電常數(shù)50<εr<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<εr<120。這時，決定諧振器Q值的主要因素不是介質(zhì)材料而是金屬化?，F(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。第七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六通訊領(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占主導(dǎo)的是CaTiO3–NdAlO3(CTNA)和ZrTiO4–ZnNb2O6(ZTZN)-基系列材料。近年來發(fā)展起來的Ba(Co,Zn)1/3Nb2/3O3(BCZN)-基系列材料以其低廉的價格正在逐步取代價格昂貴的BaZn1/3Ta2/3O3(BZT)-基系列材料。第八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六微波介質(zhì)材料最近十多年發(fā)展的路標(biāo)第九頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六國外微波陶瓷材料的主要生產(chǎn)廠商目前，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EPCOS(S+M)公司美國TransTech公司英國MorganElectroCeramics公司等。第十頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六日本Murata公司部分產(chǎn)品性能εr=36~40=40，7GHz7GHz，Q>6000000；εr=37~4040，7GHz7GHz，Q>7000000；εr=3333～3636，10GHz10GHz，Q>10000000；εr=29~3131，l0GHzGHz，Q>1200012000；εr=27~2929，10GHz10GHz，Q>1500015000；εr=24~2525，10GHz10GHz，Q>20000000；εr=23~2424，10GHz10GHz，Q>35000000；εr=66．4±0．6，7GHz7GHz，Q>2000000：εr=21.421.4±1，7GHz7GHz，Q>2000000；εr=9292±1，1GHz1GHz，Q>550。第十一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六德國EPCOS(S+M)公司部分產(chǎn)品性能

εr=21@7GHzQ>7200，

鎂-鈣系列陶瓷（MgTiO3-CaTiO3），εr=38@7GHzQ>6300，鋯-錫系列陶瓷（(Zr,

Sn)TiOZr），εr

=29@10GHzQ>9500，鋇系陶瓷（Ba(Zr,Zn,Za)O3），εr

=

88@2.3GHzQ>2300，BaO-PbO-Nd2O3-TiO2.第十二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六美國TransTech公司部分產(chǎn)品性能

εr=29.0～30.7@2GHzQ>50000，εr=34.6～36.7@2GHzQ>35000，εr=44.7～46.2@4.36GHzQ>9500，εr=35.0～36.5@4.5GHzQ>9500，εr=27.6～30.6@10GHza>10000.

介質(zhì)諧振器頻率覆蓋800MHz~40GHz系列化，τf=(±1或±2)PPm/Co。第十三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六英國MorganElectroCeramics公司覆蓋600MHz~25GHzεr=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)：第十四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六國內(nèi)微波陶瓷材料的主要生產(chǎn)廠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)、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)模上與國外相比有較大差距。第十五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六國內(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)、廈門大學(xué)承擔(dān)了國家863計劃中相應(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微波介質(zhì)陶瓷材料及元器件進(jìn)行了研究。第十六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六國產(chǎn)微波陶瓷材料的技術(shù)參數(shù)ε=82=82±1，QF>8000GHZ，τf=0±5ppm/℃，(用于移動電話GPS)；ε=91=±1，QF>5000GHZ，τf<15ppm/℃，(用于移動電話)；ε=94=±1，QF>5000GHZ，τf<15ppm/℃，（用于移動電話）；ε>100，QF>3600GHZ，τf<15ppm/℃，（用于移動電話）；ε>35±1，QF>80000GHZ,τf=0±5ppm/℃，（用于衛(wèi)星通訊和移動電話基站）；ε=25±1，QF>150000GHZ，τf=0±5ppm/℃，（用于衛(wèi)星通訊）。第十七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六天津大學(xué)εr=24，(BaMg1/3Ta2/3O3系統(tǒng)）?12.44mmx5.39mm7.4652GHz，Qf=172,000頻率溫度系數(shù)τf=+4.80PPm/℃εr=23，(Mg2TiO4

系統(tǒng))?12.74mmx5.88mm7.2297GHz，Qf=69,000GHz頻率溫度系數(shù)τf=+13,6PPm/6℃。第十八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六上海大學(xué)εr=30，10GHz，Qf>100,000GHz；εr=38，10GHz，Qf>60,000GHz；εr=80，3GHz，Qf>