微波介質(zhì)陶瓷優(yōu)勢(shì)及前景

微波介質(zhì)陶瓷（MWDC）是指應(yīng)用于微波頻段(主要是UHF、SHF頻段，300MHz～300GHz)電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷。是近二十多年發(fā)展起來(lái)的一種新型功能陶瓷材料。它是制造微波介質(zhì)諧振器和濾波器的關(guān)鍵材料，近年來(lái)研究十分活躍。它在原來(lái)微波鐵氧體的基礎(chǔ)上，對(duì)配方和制作工藝都進(jìn)行了大幅的升級(jí)換代，使之具有高介電常數(shù)、低微波損耗、溫度系數(shù)小等優(yōu)良性能，適于制作現(xiàn)代各種微波器件， 如電子對(duì)抗、導(dǎo)航、通訊、雷達(dá)、家用衛(wèi)星直播電視接收機(jī)和移動(dòng)電話等設(shè)備中的穩(wěn)頻振蕩器、濾波器和鑒頻器，能滿足微波電路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。隨著移動(dòng)通信和現(xiàn)代電子設(shè)備的發(fā)展，微波介質(zhì)陶瓷的研究越來(lái)越受到人們的重視，承載著未來(lái)微波器件的無(wú)限希望。

為什么要使用介質(zhì)諧振器

正是隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，通信設(shè)備使用要求的特殊性使得人們對(duì)通信系統(tǒng)裝備的重量和尺寸要求越來(lái)越高，特別是對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)中濾波器的小型化、輕便化、高頻化、低功耗化方面的要求越來(lái)越加強(qiáng)。然而，當(dāng)前常見(jiàn)的濾波器存在著各自的缺點(diǎn)，比如：采用微帶結(jié)構(gòu)及金屬諧振器構(gòu)成的濾波器、雙工器要實(shí)現(xiàn)小型化難度太大；聲表面波濾波器雖然可以減小電路尺寸，但由于功率容量小及插入損耗大的不足，其應(yīng)用范圍受到了限制。所幸的是，隨著現(xiàn)代材料科學(xué)與電子信息科學(xué)技術(shù)的交叉滲透，新材料和制造工藝技術(shù)的發(fā)展，如薄膜工藝技術(shù)、單片集成電路、MEMS、LTCC等工藝，極大地帶動(dòng)了微帶及基于薄膜技術(shù)的濾波器設(shè)計(jì)、加工與應(yīng)用的飛速發(fā)展，因此，全固態(tài)化的各類微型（片式）中頻、高頻、微波濾波器向著高性能、低成本、小型化、更高頻化等各方面飛快發(fā)展。

微波介質(zhì)諧振器優(yōu)點(diǎn)

微波介質(zhì)諧振器與金屬空腔諧振器相比，具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

(l)小型化

(高介電常數(shù)?r)。眾所周知，微波設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化、高穩(wěn)定及廉價(jià)的方式是微波電路的集成化。在微波電路集成化的進(jìn)程中，金屬波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了平面微帶集成化，微波管實(shí)現(xiàn)了小型化。但是，微波電路中各種金屬諧振腔由于體積和重量太大，難以和微帶電路相集成，解決這一困難的出路在于使用微波介質(zhì)陶瓷材料制作諧振器。已經(jīng)知道，諧振器的尺寸和電介質(zhì)材料的介電常數(shù)的平方根成反比。所以電介質(zhì)材料的介電常數(shù)越大，所需要的電介質(zhì)陶瓷塊體就越小，諧振器的尺寸也就越小。因此，微波介質(zhì)陶瓷材料的高介電常數(shù)有利于微波介質(zhì)濾波器的小型化，可使濾波器同微波管、微帶線一道實(shí)現(xiàn)微波電路混合集成化，使器件尺寸達(dá)到毫米量級(jí)，其價(jià)格也比金屬諧振腔低廉得多。一般要求?>1O。

(2)高穩(wěn)定性

(接近于零的頻率溫度系數(shù)?f)。通信器件的工作環(huán)境溫度不可能一成不變。如果微波介質(zhì)材料的諧振頻率隨溫度變化較大，濾波器的載波信號(hào)在不同的溫度下就會(huì)漂移，從而影響設(shè)備的使用性能。這就要求材料的諧振頻率不能隨溫度變化太大。溫度的實(shí)際要求范圍大致是－40℃-+100℃，在這個(gè)范圍內(nèi)，材料的頻率溫度系數(shù)?f不大于l0ppm/℃。目前，己實(shí)用化的微波介質(zhì)陶瓷材料的頻率溫度系數(shù)可達(dá)0 ppm/℃，從而可以實(shí)現(xiàn)器件的高穩(wěn)定性和高可靠性。

(3)低損耗

(高品質(zhì)因子Q)。濾波器的一個(gè)重要要求是插入損耗低，微波介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗是影響介質(zhì)濾波器插入損耗的一個(gè)主要因素。微波介質(zhì)材料Q值與介質(zhì)損耗tand成反比關(guān)系。Q值越大，濾波器的插入損耗就越低。

綜上所述，介質(zhì)陶瓷材料現(xiàn)正以極快的發(fā)展速度席卷微波市場(chǎng)，掌握新型陶瓷材料的配方成了各個(gè)微波廠商竟相追逐的新寵。

介質(zhì)諧振器的用途

微波介質(zhì)陶瓷主要用于用作諧振器、濾波器、介質(zhì)天線、介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件。微波介質(zhì)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是微型化、損耗低，頻率溫度系數(shù)小、介電常數(shù)高、成本低等。與金屬諧振濾波器相比，它具有微型化的優(yōu)點(diǎn)，其體積只有前者的幾十分之一；與聲表面濾波器相比，它使用的頻率高，且成本低。微波濾波器被廣泛的應(yīng)用于微波通信、雷達(dá)導(dǎo)航、電子對(duì)抗、衛(wèi)星接力、導(dǎo)彈制導(dǎo)、測(cè)試儀表等系統(tǒng)中，是微波和毫米波系統(tǒng)中不可缺少的器件，其性能的優(yōu)劣往往直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。它的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，以手機(jī)為例，2005年中國(guó)的手機(jī)年銷售量為6400萬(wàn)部，而且中國(guó)手機(jī)市場(chǎng)將以每年20%的速度增長(zhǎng)，在兩三年內(nèi)銷售量將達(dá)到1億部。由此可見(jiàn)，微波介質(zhì)陶瓷在商業(yè)應(yīng)用上有極大的發(fā)展空間和市場(chǎng)。

國(guó)外研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用情況

目前，國(guó)外已有相應(yīng)公司在大量生產(chǎn)微濾波器器件，比較著名的公司有美國(guó)的DLI、TRANS-TECH、日本MURATA、英國(guó)的FILTRONIC公司等。他們生產(chǎn)的各種微波介質(zhì)陶瓷濾波器、雙工器、諧振器、介質(zhì)天線等產(chǎn)品已用于微波基地站、手機(jī)及無(wú)繩電話等產(chǎn)品中，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

在介質(zhì)濾波器制作領(lǐng)域最成熟的是日本村田制作所制作的MB系列一體化的介質(zhì)濾波器。這種濾波器雖然是用普通的陶瓷介質(zhì)材料和電極制作，以高頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)，但是它極大地推進(jìn)了移動(dòng)通信終端市場(chǎng)的發(fā)展。為了減小體積，村田公司開(kāi)發(fā)出MB型片式介質(zhì)濾波器，它是由2-3個(gè)同軸諧振器整塊連體構(gòu)成，而無(wú)需電路基板、耦合器、外罩等。PHSl900用最小的2級(jí)帶通濾波器僅3.8×4.3×2.0 mm3，而相對(duì)應(yīng)的2級(jí)耦合型介質(zhì)濾波器只能達(dá)7.0×8.0×3.7 mm3 。

比較典型的幾種濾波器分別是：普通型DP系列、普通型FB系列和MB系列介質(zhì)濾波器。

(1)普通型DP系列產(chǎn)品是一只表面安裝型濾波器，方形介質(zhì)諧振器和電路耦合器件在PCB上單獨(dú)安裝，輸入、輸出和接地端均采用PCB板表面電極。同采用金屬殼的表面安裝型濾波器相比，普通型DP系列的濾波器地面平整度有很大改進(jìn)，再流焊性也提高了。而且，它的輸入和輸出端在PCB上不再需要專門的空間，減小了它的安裝面積。這樣諧振器的尺寸和耦合電路的設(shè)計(jì)就有了靈活性，易于適應(yīng)性能要求。但是，最大的不足是生產(chǎn)工序復(fù)雜，費(fèi)工時(shí)。所以，減小成本最根本的問(wèn)題是要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化。

(2)普通型FB系列。普通FB系列產(chǎn)品為一體型濾波器，由介質(zhì)組合構(gòu)成的多級(jí)諧振器，輸入、輸出端和殼體構(gòu)成，F(xiàn)P系列產(chǎn)品與DP系列相比，需要的元件數(shù)量少，成本低。諧振器件之間的耦合是通過(guò)介質(zhì)上的耦合孔控制，諧振器同外部元件的耦合則通過(guò)模制樹(shù)脂金屬插頭插進(jìn)介質(zhì)上的耦合孔實(shí)現(xiàn)。該產(chǎn)品因體積小而受到歡迎，但其不足在于耦合由組合介質(zhì)上的耦合孔控制，設(shè)計(jì)自由度比DP系列差。

(3)MB系列介質(zhì)濾波器。村田制作所開(kāi)發(fā)的MB系列介質(zhì)濾波器，主要考慮的是降低尺寸和成本，同時(shí)保持普通型器件的性能。為了達(dá)到這個(gè)目的，研究人員將器件設(shè)計(jì)成一體型(圓形同軸)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。器件整個(gè)表面除輸入、輸出端和諧振器導(dǎo)體外，全部設(shè)計(jì)為一個(gè)電極，從性能上講，諧振器內(nèi)部不插入任何導(dǎo)體電極的空隙用于產(chǎn)生懸空電容，同時(shí)作為諧振器的開(kāi)端，電性能通過(guò)調(diào)整空隙位置和寬度而定。使濾波器品種適合于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，制造諧振器的陶瓷材料用高度絕緣材料，電極則是鍍銅的。諧振器在介質(zhì)中進(jìn)行電磁耦合，同時(shí)與外面的元件也能電容耦合。諧振器件間的耦合元件及諧振器同外部的耦合元件都是同諧振器分開(kāi)的。

因此，該合成的濾波器裝有耦合所需的零部件，使其能夠達(dá)到單個(gè)濾波器的目標(biāo)。在普通器件上沒(méi)有焊接元件，這大大增強(qiáng)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問(wèn)題。同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)很好的再流焊性，同軸圓孔為一環(huán)路以保證高Q0值。歐洲無(wú)繩電話采用的兩級(jí)濾波器同普通濾波器相比，每一濾波器容量的Q0值提高了40％。并且，這種產(chǎn)品的衰減電極(這是移動(dòng)通信用濾波器所要求的)設(shè)計(jì)成無(wú)論在低頻端或高頻端均能通過(guò)采用多級(jí)阻抗諧振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。

西門子公司研制的3級(jí)整塊聯(lián)體型片式介質(zhì)濾波器，尺寸規(guī)格僅8.8×7.45×2.75 mm3-5．75×4.0×2.95 mm3，適用于ISM915、GPSl500、PCN／PCSl800、PHSl900。W-LAN2450的最小型僅為3.25×5.0×1.9mm3。1990年日本住友公司提出低溫共燒多層介質(zhì)平面型濾波器的構(gòu)想。此后，松下、日本、飛利浦、雙信等公司先后開(kāi)發(fā)出適合于表面貼裝的同類新產(chǎn)品。因價(jià)格因素而首先在DECT、PHS、ISM等無(wú)繩電話中使用，逐漸在PDC、PCN、PCS、GSM、W-CDMA等蜂窩電話中推廣。近來(lái)更有2.4GHz、5.2GHz、5.7GHz的W-LAN方向應(yīng)用的趨勢(shì)。