現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)講座(4-1微波陶瓷材料).ppt

微波陶瓷材料 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(shí) 價(jià)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(huì)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(jì)與制作技術(shù)是非常重要的 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(shí)質(zhì)上是一種陶瓷材料 國外 七十年代以前把高介電常數(shù)微波介質(zhì)材料稱為特種陶瓷 早在1939年R D Rechtmeyer就做出了介質(zhì)諧振器和濾波器 開始人們主要使用金紅石 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 對微波介質(zhì)材料的使用有很大的限制 上世紀(jì)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(shí)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 微波陶瓷材料進(jìn)入大規(guī)模實(shí)際使用階段 在衛(wèi)星通訊 雷達(dá)和蜂窩電話系統(tǒng)中都有廣泛使用 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) 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 目前一些常用高介電常數(shù)微波介質(zhì)材料的特性 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 r 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 r 120 這時(shí) 決定諧振器Q值的主要因素不是介質(zhì)材料而是金屬化 現(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 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(jià)格正在逐步取代價(jià)格昂貴的BaZn1 3Ta2 3O3 BZT 基系列材料 微波介質(zhì)材料最近十多年發(fā)展的路標(biāo) 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 日本Murata公司部分產(chǎn)品性能 r 36 40 40 7GHz7GHz Q 6000000 r 37 4040 7GHz7GHz Q 7000000 r 33 36 10GHz10GHz Q 10000000 r 29 3131 l0GHzGHz Q 1200012000 r 27 2929 10GHz10GHz Q 1500015000 r 24 2525 10GHz10GHz Q 20000000 r 23 2424 10GHz10GHz Q 35000000 r 66 4 0 6 7GHz7GHz Q 2000000 r 21 421 4 1 7GHz7GHz Q 2000000 r 9292 1 1GHz1GHz Q 550 德國EPCOS S M 公司部分產(chǎn)品性能 r 21 7GHzQ 7200 鎂 鈣系列陶瓷 MgTiO3 CaTiO3 r 38 7GHzQ 6300 鋯 錫系列陶瓷 Zr Sn TiOZr r 29 10GHzQ 9500 鋇系陶瓷 Ba Zr Zn Za O3 r 88 2 3GHzQ 2300 BaO PbO Nd2O3 TiO2 美國TransTech公司部分產(chǎn)品性能 r 29 0 30 7 2GHzQ 50000 r 34 6 36 7 2GHzQ 35000 r 44 7 46 2 4 36GHzQ 9500 r 35 0 36 5 4 5GHzQ 9500 r 27 6 30 6 10GHza 10000 介質(zhì)諧振器頻率覆蓋800MHz 40GHz系列化 f 1或 2 PPm Co 英國MorganElectroCeramics公司 覆蓋600MHz 25GHz r 20 12GHz Q 6 000 MgCaTi系列 r 30 10GHz Q 12 600 BaZnTi系列 r 37 9GHz Q 5 800 ZrSnTi系列 r 43 2GHz Q 20 000 r 77 5GHz Q 10 000 r 885GHzQ 1 100 BaNdTi系列 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 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(jì)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 國產(chǎn)微波陶瓷材料的技術(shù)參數(shù) 82 82 1 QF 8000GHZ f 0 5ppm 用于移動(dòng)電話GPS 91 1 QF 5000GHZ f5000GHZ f100 QF 3600GHZ f35 1 QF 80000GHZ f 0 5ppm 用于衛(wèi)星通訊和移動(dòng)電話基站 25 1 QF 150000GHZ f 0 5ppm 用于衛(wèi)星通訊 天津大學(xué) r 24 BaMg1 3Ta2 3O3系統(tǒng) 12 44mmx5 39mm7 4652GHz Qf 172 000頻率溫度系數(shù) f 4 80PPm r 23 Mg2TiO4系統(tǒng) 12 74mmx5 88mm7 2297GHz Qf 69 000GHz頻率溫度系數(shù) f 13 6PPm 6 上海大學(xué) r 30 10GHz Qf 100 000GHz