微波介质陶瓷的技术优势及应用前景

微波介质陶瓷（MWDC）是指应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段，300MHz～300GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。是近二十多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，近年来研究十分活跃。它在原来微波铁氧体的基础上，对配方和制作工艺都进行了大幅的升级换代，使之具有高介电常数、低微波损耗、温度系数小等优良性能，适于制作现代各种微波器件， 如电子对抗、导航、通讯、雷达、家用卫星直播电视接收机和移动电话等设备中的稳频振荡器、滤波器和鉴频器，能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。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，承载着未来微波器件的无限希望。

为什么要使用介质谐振器

正是随着现代通信技术的迅速发展，通信设备使用要求的特殊性使得人们对通信系统装备的重量和尺寸要求越来越高，特别是对移动通信系统中滤波器的小型化、轻便化、高频化、低功耗化方面的要求越来越加强。然而，当前常见的滤波器存在着各自的缺点，比如：采用微带结构及金属谐振器构成的滤波器、双工器要实现小型化难度太大；声表面波滤波器虽然可以减小电路尺寸，但由于功率容量小及插入损耗大的不足，其应用范围受到了限制。所幸的是，随着现代材料科学与电子信息科学技术的交叉渗透，新材料和制造工艺技术的发展，如薄膜工艺技术、单片集成电路、MEMS、LTCC等工艺，极大地带动了微带及基于薄膜技术的滤波器设计、加工与应用的飞速发展，因此，全固态化的各类微型（片式）中频、高频、微波滤波器向着高性能、低成本、小型化、更高频化等各方面飞快发展。

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：

(l)小型化

(高介电常数?r)。众所周知，微波设备实现小型化、高稳定及廉价的方式是微波电路的集成化。在微波电路集成化的进程中，金属波导实现了平面微带集成化，微波管实现了小型化。但是，微波电路中各种金属谐振腔由于体积和重量太大，难以和微带电路相集成，解决这一困难的出路在于使用微波介质陶瓷材料制作谐振器。已经知道，谐振器的尺寸和电介质材料的介电常数的平方根成反比。所以电介质材料的介电常数越大，所需要的电介质陶瓷块体就越小，谐振器的尺寸也就越小。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，可使滤波器同微波管、微带线一道实现微波电路混合集成化，使器件尺寸达到毫米量级，其价格也比金属谐振腔低廉得多。一般要求?>1O。

(2)高稳定性

(接近于零的频率温度系数?f)。通信器件的工作环境温度不可能一成不变。如果微波介质材料的谐振频率随温度变化较大，滤波器的载波信号在不同的温度下就会漂移，从而影响设备的使用性能。这就要求材料的谐振频率不能随温度变化太大。温度的实际要求范围大致是－40℃-+100℃，在这个范围内，材料的频率温度系数?f不大于l0ppm/℃。目前，己实用化的微波介质陶瓷材料的频率温度系数可达0 ppm/℃，从而可以实现器件的高稳定性和高可靠性。

(3)低损耗

(高品质因子Q)。滤波器的一个重要要求是插入损耗低，微波介质材料的介质损耗是影响介质滤波器插入损耗的一个主要因素。微波介质材料Q值与介质损耗tand成反比关系。Q值越大，滤波器的插入损耗就越低。
 
综上所述，介质陶瓷材料现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成了各个微波厂商竟相追逐的新宠。

介质谐振器的用途

微波介质陶瓷主要用于用作谐振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件。微波介质滤波器的优点是微型化、损耗低，频率温度系数小、介电常数高、成本低等。与金属谐振滤波器相比，它具有微型化的优点，其体积只有前者的几十分之一；与声表面滤波器相比，它使用的频率高，且成本低。微波滤波器被广泛的应用于微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星接力、导弹制导、测试仪表等系统中，是微波和毫米波系统中不可缺少的器件，其性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能。它的应用领域很广，以手机为例，2005年中国的手机年销售量为6400万部，而且中国手机市场将以每年20%的速度增长，在两三年内销售量将达到1亿部。由此可见，微波介质陶瓷在商业应用上有极大的发展空间和市场。

国外研究开发与应用情况

目前，国外已有相应公司在大量生产微滤波器器件，比较著名的公司有美国的DLI、TRANS-TECH、日本MURATA、英国的FILTRONIC公司等。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地站、手机及无绳电话等产品中，取得了显著的经济和社会效益。

在介质滤波器制作领域最成熟的是日本村田制作所制作的MB系列一体化的介质滤波器。这种滤波器虽然是用普通的陶瓷介质材料和电极制作，以高频电路设计技术为基础，但是它极大地推进了移动通信终端市场的发展。为了减小体积，村田公司开发出MB型片式介质滤波器，它是由2-3个同轴谐振器整块连体构成，而无需电路基板、耦合器、外罩等。PHSl900用最小的2级带通滤波器仅3.8×4.3×2.0 mm3，而相对应的2级耦合型介质滤波器只能达7.0×8.0×3.7 mm3 。

比较典型的几种滤波器分别是：普通型DP系列、普通型FB系列和MB系列介质滤波器。

(1)普通型DP系列产品是一只表面安装型滤波器，方形介质谐振器和电路耦合器件在PCB上单独安装，输入、输出和接地端均采用PCB板表面电极。同采用金属壳的表面安装型滤波器相比，普通型DP系列的滤波器地面平整度有很大改进，再流焊性也提高了。而且，它的输入和输出端在PCB上不再需要专门的空间，减小了它的安装面积。这样谐振器的尺寸和耦合电路的设计就有了灵活性，易于适应性能要求。但是，最大的不足是生产工序复杂，费工时。所以，减小成本最根本的问题是要实现生产过程中的自动化。

(2)普通型FB系列。普通FB系列产品为一体型滤波器，由介质组合构成的多级谐振器，输入、输出端和壳体构成，FP系列产品与DP系列相比，需要的元件数量少，成本低。谐振器件之间的耦合是通过介质上的耦合孔控制，谐振器同外部元件的耦合则通过模制树脂金属插头插进介质上的耦合孔实现。该产品因体积小而受到欢迎，但其不足在于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。 村田制作所开发的MB系列介质滤波器，主要考虑的是降低尺寸和成本，同时保持普通型器件的性能。为了达到这个目的，研究人员将器件设计成一体型(圆形同轴)轴对称结构。器件整个表面除输入、输出端和谐振器导体外，全部设计为一个电极，从性能上讲，谐振器内部不插入任何导体电极的空隙用于产生悬空电容，同时作为谐振器的开端，电性能通过调整空隙位置和宽度而定。使滤波器品种适合于生产过程自动化，制造谐振器的陶瓷材料用高度绝缘材料，电极则是镀铜的。谐振器在介质中进行电磁耦合，同时与外面的元件也能电容耦合。谐振器件间的耦合元件及谐振器同外部的耦合元件都是同谐振器分开的。

因此，该合成的滤波器装有耦合所需的零部件，使其能够达到单个滤波器的目标。在普通器件上没有焊接元件，这大大增强了其可靠性。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问题。同时也能实现很好的再流焊性，同轴圆孔为一环路以保证高Q0值。欧洲无绳电话采用的两级滤波器同普通滤波器相比，每一滤波器容量的Q0值提高了40％。并且，这种产品的衰减电极(这是移动通信用滤波器所要求的)设计成无论在低频端或高频端均能通过采用多级阻抗谐振器结构进行控制。

西门子公司研制的3级整块联体型片式介质滤波器，尺寸规格仅8.8×7.45×2.75 mm3-5．75×4.0×2.95 mm3，适用于ISM915、GPSl500、PCN／PCSl800、PHSl900。W-LAN2450的最小型仅为3.25×5.0×1.9mm3。1990年日本住友公司提出低温共烧多层介质平面型滤波器的构想。此后，松下、日本、飞利浦、双信等公司先后开发出适合于表面贴装的同类新产品。因价格因素而首先在DECT、PHS、ISM等无绳电话中使用，逐渐在PDC、PCN、PCS、GSM、W-CDMA等蜂窝电话中推广。近来更有2.4GHz、5.2GHz、5.7GHz的W-LAN方向应用的趋势。