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微波介质陶瓷的前景与优势

2021-08-18 来源:滨州农业机械网

微波介质陶瓷的前景与优势

微波介质陶瓷(MWDC)是指在微波频段(主要是超高频、SHF频段、300兆赫-300千兆赫)电路中用作介质材料并具有一种或多种功能的陶瓷。它是近二十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,近年来得到了的研究中国建材网cnprofit.com。在原有微波铁氧体的基础上,对其配方和制造工艺进行了重大升级,使其具有高介电常数、低微波损耗、温度系数小等优异性能。适用于制造电子对抗、导航、通信、雷达、国内卫星直播电视接收机、手机中的稳频振荡器、滤波器、鉴频器等各种现代微波器件,能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性、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,它承载着未来微波器件的无限希望。

一、为什么要使用介质滤波器

随着现代通信技术的快速发展,通信设备使用要求的特殊性使得人们对通信系统设备的重量和尺寸要求越来越高,尤其是对移动通信系统中滤波器的小型化、便携化、高频化和低功耗化的要求。但是目前常见的滤波器都有其自身的缺点,比如:由微带结构和金属谐振器组成的滤波器和双工器的小型化实现难度太大;SAW滤波器虽然可以减小电路尺寸,但由于功率容量小,插入损耗大,应用范围有限。幸运的是,随着现代材料科学和电子信息科学技术的交叉渗透,薄膜技术、单片集成电路、微机电系统、LTCC等新材料和制造技术的发展,极大地推动了基于薄膜技术的微带和滤波器设计、加工和应用的快速发展。因此,各种全固态微(片)中频、高频和微波滤波器正朝着高性能、低成本、小型化和高频方向发展

二微波介质谐振器优点

微波介质谐振器与金属空腔谐振器相比,具有以下一些优点:

(1) 小型化 (高介电常数)。众所周知,实现微波设备小型化、高稳定性和低价格的途径是微波电路的集成。在微波电路集成过程中,金属波导实现了平面微带的集成,微波管小型化。然而,微波电路中的各种金属谐振腔由于体积大、重量重,很难与微带电路集成。解决这一难题的途径在于利用微波介质陶瓷材料制作谐振器。众所周知,谐振器的尺寸与介电材料介电常数的平方根成反比。因此,介电材料的介电常数越大,所需的介电陶瓷块越小,谐振器的尺寸越小。因此,微波介质陶瓷材料的高介电常数有利于微波介质滤波器的小型化,可以实现微波电路与微波管、微带线的混合集成,使器件尺寸达到毫米级,价格远低于金属谐振腔。一般要求介电常数> 10。

(2) 高稳定性 (频率温度系数接近零)。通信设备的工作环境温度不能恒定。如果微波介质材料的谐振频率随温度变化很大,滤波器的载波信号会在不同温度下漂移,从而影响设备的性能。这就要求材料的共振频率不要随温度变化太大。实际要求的温度范围约为-40℃ ~+100℃,在此范围内,材料的频率温度系数不大于l0pm/℃。目前,实用微波介质陶瓷材料的频率温度系数可达0 ppm/℃,可实现器件的高稳定性和高可靠性。

(3) 低损耗 (高品质因数q)。低插入损耗是滤波器的重要要求,微波介质材料的介质损耗是影响介质滤波器插入损耗的主要因素。微波介质材料的q值与介质损耗和电阻成反比。q值越大,滤波器的插入损耗越低。综上所述,介质陶瓷材料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已成为所有微波制造商的新宠。

三、介质谐振器的用途

微波介质陶瓷主要用作微波元件,如谐振器、滤波器、介质天线和介质导波电路。微波介质滤波器的优点是小型化、低损耗、频温系数小、介电常数高、成本低。与金属谐振滤波器相比,它具有小型化的优点,体积只有前者的十分之几;与声表面滤波器相比,它具有更高的频率和更低的成本。微波滤波器广泛应用于微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星中继、导弹制导、测试仪器等系统,是微波和毫米波系统中不可缺少的器件。其性能往往直接影响整个通信系统的性能。它有广泛的应用。以手机为例,2005年中国手机年销量为6400万,中国手机市场将以每年20%的速度增长,两三年后销量将达到1亿。由此可见,微波介质陶瓷在商业应用中有很大的发展空间和市场。

四、国外研究开发与应用情况

目前,国外公司已经生产了大量的微过滤装置。著名的公司有DLI、TRANS-TECH、MURATA、Japan、FILTRONIC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站、手机、无绳电话,取得了显著的经济效益和社会效益。最成熟的介质滤波器是日本村田制造有限公司制造的MB系列集成介质滤波器。虽然这种滤波器是由常见的陶瓷介质材料和电极制成,基于高频电路设计技术,但它极大地促进了移动通信终端市场的发展。为了减小尺寸,村田开发了MB芯片介质滤波器,由2-3个同轴谐振器组成,没有电路基板、耦合器、盖子等。PHSl900使用的最小二级带通滤波器只有3.8×4.3×2.0 mm3,而对应的二级耦合介质滤波器只能达到7.0×8.0×3.7 mm3。典型的滤波器有常见的DP系列、常见的FB系列和MB系列介质滤波器。

(1)普通DP系列产品为表面贴装滤波器,正方形介质谐振器和电路耦合器件分别安装在PCB上,输入、输出和接地端子均采用PCB表面电极。与金属外壳的表面贴装滤波器相比,普通DP系列滤波器的接地平坦度和回流焊性有了很大提高。而且其输入输出端不再需要PCB上特殊的空间,减少了其安装面积。这样,谐振器的尺寸和耦合电路的设计灵活,易于适应性能要求。但最大的不足是制作过程复杂耗时。因此,降低成本最根本的问题是实现生产过程的自动化。

(2)普通FB系列。常见的FB系列产品是集成滤波器,由介质组合构成的多级谐振器、输入输出端子和外壳组成。与DP系列产品相比,FP系列产品需要的零部件更少,成本更低。谐振器件之间的耦合由介质上的耦合孔控制,谐振器和外部元件之间的耦合通过将模制树脂金属插头插入介质上的耦合孔来实现。该产品因体积小而广受欢迎,但其缺点是耦合由组合介质上的耦合孔控制,设计自由度比DP系列差。

(3)MB系列介质滤波器。村田制造有限公司开发的MB系列介质滤波器主要关注在保持普通器件性能的同时减小尺寸和成本。为了实现这一目标,研究人员将该装置设计成一个整体(圆形同轴)轴对称结构。除了输入和输出端子以及谐振器导体之外,器件的整个表面被设计为电极。从性能的角度来看,没有任何导体电极的谐振器的间隙用于产生浮动电容,同时,作为谐振器的开始,通过调整间隙的位置和宽度来确定电性能。使过滤器品种适合生产过程的自动化。用于制造谐振器的陶瓷材料是高度绝缘的材料,电极是镀铜的。谐振器在介质中电磁耦合,也可以与外部元件电容耦合。谐振器件之间的耦合元件和谐振器与外界之间的耦合元件都与谐振器分离。因此,合成滤波器配备了耦合所必需的元件,从而可以达到单个滤波器的目的。普通器件上没有焊接元件,大大增强了其可靠性。部件的部分或全部底端由陶瓷材料制成,以消除平底带来的任何问题。同时还能实现良好的回流焊性,同轴圆孔是保证高Q0值的回路。与普通过滤器相比,每个过滤器容量的Q0值增加了40%。此外,该产品的衰减电极(移动通信滤波器所需的)设计为在低频端和高频端采用多级阻抗谐振器结构进行控制。西门子公司开发的三级单片集成芯片介质滤波器,尺寸规格只有8.8×7.45×2.75 mm3-5.75×4.0×2.95 mm3,适用于ISM915、GPSl500、PCN/PCSl800、PHS。