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    微波介質陶瓷的前景與優勢
    微波介質陶瓷(MWDC)是指在微波頻段(主要是超高頻、SHF頻段、300兆赫- 300千兆赫)電路中用作介質材料并具有一種或多種功能的陶瓷。它是近二十年發展起來的一種新型功能陶瓷材料。它是制造微波介質諧振器和濾波器的關鍵材料,近年來得到了廣泛的研究。在原有微波鐵氧體的基礎上,對其配方和制造工藝進行了重大升級,使其具有高介電常數、低微波損耗、溫度系數小等優異性能。適用于制造電子對抗、導航、通信、雷達、國內衛星直播電視接收機、手機中的穩頻振蕩器、濾波器、鑒頻器等各種現代微波器件,能滿足微波電路小型化、集成化、高可靠性、低成本的要求。隨著移動通信和現代電子設備的發展,微波介質陶瓷的研究越來越受到人們的重視,它承載著未來微波器件的無限希望。
     
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    一:為什么要使用介質濾波器?
    隨著現代通信技術的快速發展,通信設備使用要求的特殊性使得人們對通信系統設備的重量和尺寸要求越來越高,尤其是對移動通信系統中濾波器的小型化、便攜化、高頻化和低功耗化的要求。但是目前常見的濾波器都有其自身的缺點,比如:由微帶結構和金屬諧振器組成的濾波器和雙工器的小型化實現難度太大;SAW濾波器雖然可以減小電路尺寸,但由于功率容量小,插入損耗大,應用范圍有限。幸運的是,隨著現代材料科學和電子信息科學技術的交叉滲透,薄膜技術、單片集成電路、微機電系統、LTCC等新材料和制造技術的發展,極大地推動了基于薄膜技術的微帶和濾波器設計、加工和應用的快速發展。因此,各種全固態微(片)中頻、高頻和微波濾波器正朝著高性能、低成本、小型化和高頻方向發展
     
    二:微波介質諧振器優點
    微波介質諧振器與金屬空腔諧振器相比,具有以下一些優點:
    (1) 小型化 (高介電常數)。眾所周知,實現微波設備小型化、高穩定性和低價格的途徑是微波電路的集成。在微波電路集成過程中,金屬波導實現了平面微帶的集成,微波管小型化。然而,微波電路中的各種金屬諧振腔由于體積大、重量重,很難與微帶電路集成。解決這一難題的途徑在于利用微波介質陶瓷材料制作諧振器。眾所周知,諧振器的尺寸與介電材料介電常數的平方根成反比。因此,介電材料的介電常數越大,所需的介電陶瓷塊越小,諧振器的尺寸越小。因此,微波介質陶瓷材料的高介電常數有利于微波介質濾波器的小型化,可以實現微波電路與微波管、微帶線的混合集成,使器件尺寸達到毫米級,價格遠低于金屬諧振腔。一般要求介電常數> 10。
    (2) 高穩定性 (頻率溫度系數接近零)。通信設備的工作環境溫度不能恒定。如果微波介質材料的諧振頻率隨溫度變化很大,濾波器的載波信號會在不同溫度下漂移,從而影響設備的性能。這就要求材料的共振頻率不要隨溫度變化太大。實際要求的溫度范圍約為-40℃ ~+100℃,在此范圍內,材料的頻率溫度系數不大于l0pm/℃。目前,實用微波介質陶瓷材料的頻率溫度系數可達0 ppm/℃,可實現器件的高穩定性和高可靠性。
    (3) 低損耗 (高品質因數q)。低插入損耗是濾波器的重要要求,微波介質材料的介質損耗是影響介質濾波器插入損耗的主要因素。微波介質材料的q值與介質損耗和電阻成反比。q值越大,濾波器的插入損耗越低。 綜上所述,介質陶瓷材料正以極快的發展速度席卷微波市場,掌握新型陶瓷材料的配方已成為所有微波制造商的新寵。
     
    三:介質諧振器的用途
    微波介質陶瓷主要用作微波元件,如諧振器、濾波器、介質天線和介質導波電路。微波介質濾波器的優點是小型化、低損耗、頻溫系數小、介電常數高、成本低。與金屬諧振濾波器相比,它具有小型化的優點,體積只有前者的十分之幾;與聲表面濾波器相比,它具有更高的頻率和更低的成本。微波濾波器廣泛應用于微波通信、雷達導航、電子對抗、衛星中繼、導彈制導、測試儀器等系統,是微波和毫米波系統中不可缺少的器件。其性能往往直接影響整個通信系統的性能。它有廣泛的應用。以手機為例,2005年中國手機年銷量為6400萬,中國手機市場將以每年20%的速度增長,兩三年后銷量將達到1億。由此可見,微波介質陶瓷在商業應用中有很大的發展空間和市場。
     
    四:國外研究開發與應用情況
    目前,國外公司已經生產了大量的微過濾裝置。著名的公司有DLI、TRANS-TECH、MURATA、Japan、FILTRONIC等。他們生產的各種微波介質陶瓷濾波器、雙工器、諧振器、介質天線等產品已用于微波基站、手機、無繩電話,取得了顯著的經濟效益和社會效益。 最成熟的介質濾波器是日本村田制造有限公司制造的MB系列集成介質濾波器。雖然這種濾波器是由常見的陶瓷介質材料和電極制成,基于高頻電路設計技術,但它極大地促進了移動通信終端市場的發展。為了減小尺寸,村田開發了MB芯片介質濾波器,由2-3個同軸諧振器組成,沒有電路基板、耦合器、蓋子等。PHSl900使用的最小二級帶通濾波器只有3.8×4.3×2.0 mm3,而對應的二級耦合介質濾波器只能達到7.0×8.0×3.7 mm3。 典型的濾波器有常見的DP系列、常見的FB系列和MB系列介質濾波器。
     (1)普通DP系列產品為表面貼裝濾波器,正方形介質諧振器和電路耦合器件分別安裝在PCB上,輸入、輸出和接地端子均采用PCB表面電極。與金屬外殼的表面貼裝濾波器相比,普通DP系列濾波器的接地平坦度和回流焊性有了很大提高。而且其輸入輸出端不再需要PCB上特殊的空間,減少了其安裝面積。這樣,諧振器的尺寸和耦合電路的設計靈活,易于適應性能要求。但最大的不足是制作過程復雜耗時。因此,降低成本最根本的問題是實現生產過程的自動化。 (2)普通FB系列。常見的FB系列產品是集成濾波器,由介質組合構成的多級諧振器、輸入輸出端子和外殼組成。與DP系列產品相比,FP系列產品需要的零部件更少,成本更低。諧振器件之間的耦合由介質上的耦合孔控制,諧振器和外部元件之間的耦合通過將模制樹脂金屬插頭插入介質上的耦合孔來實現。該產品因體積小而廣受歡迎,但其缺點是耦合由組合介質上的耦合孔控制,設計自由度比DP系列差。
    (3)MB系列介質濾波器。村田制造有限公司開發的MB系列介質濾波器主要關注在保持普通器件性能的同時減小尺寸和成本。為了實現這一目標,研究人員將該裝置設計成一個整體(圓形同軸)軸對稱結構。除了輸入和輸出端子以及諧振器導體之外,器件的整個表面被設計為電極。從性能的角度來看,沒有任何導體電極的諧振器的間隙用于產生浮動電容,同時,作為諧振器的開始,通過調整間隙的位置和寬度來確定電性能。使過濾器品種適合生產過程的自動化。用于制造諧振器的陶瓷材料是高度絕緣的材料,電極是鍍銅的。諧振器在介質中電磁耦合,也可以與外部元件電容耦合。諧振器件之間的耦合元件和諧振器與外界之間的耦合元件都與諧振器分離。 因此,合成濾波器配備了耦合所必需的元件,從而可以達到單個濾波器的目的。普通器件上沒有焊接元件,大大增強了其可靠性。部件的部分或全部底端由陶瓷材料制成,以消除平底帶來的任何問題。同時還能實現良好的回流焊性,同軸圓孔是保證高Q0值的回路。與普通過濾器相比,每個過濾器容量的Q0值增加了40%。此外,該產品的衰減電極(移動通信濾波器所需的)設計為在低頻端和高頻端采用多級阻抗諧振器結構進行控制。 西門子公司開發的三級單片集成芯片介質濾波器,尺寸規格只有8.8×7.45×2.75 mm3-5.75×4.0×2.95 mm3,適用于ISM915、GPSl500、PCN/PCSl800、PHS。
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