一背景介紹

微波介質(zhì)諧振器由于其體積小、重量輕、介電常數(shù)和Q值高、溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn) ,引起了人們的廣泛關(guān)注。 介質(zhì)諧振器雖然是二十世紀(jì)六十年代才被人重視、七十年代才得到迅速發(fā)展的一種新型微波元件，但它孕育的時(shí)間很長(zhǎng)，可追溯到二十世紀(jì)30年代末， 美國斯坦福大學(xué)的學(xué)者R.D.Richtmyer在1939年從理論上證明了：未金屬化的高介電常數(shù)和低損耗的介質(zhì)可作為微波電磁諧振器，他把這種諧振器稱為介質(zhì)諧振器，但限于當(dāng)時(shí)的工藝和技術(shù)水平，沒有研制出微波損耗足夠小的高介電常數(shù)介質(zhì)材料。 直到六十年代，由于材料科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，使得研制低損耗、高介電常數(shù)的微波介質(zhì)材料成為可能，同時(shí)由于空間技術(shù)上也有了不斷的進(jìn)步，使得人們對(duì)電子設(shè)備的高可靠性和小型化的要求日益迫切。 經(jīng)過幾年努力，七十年代終于在美國和日本等國先后研制成幾種性能符合要求的陶瓷介質(zhì)系列材料，如鈦酸鋇、鋯酸鹽和鈦酸鋯錫等。 從此，介質(zhì)諧振器才真正作為一種新的微波元件應(yīng)用到微波電路中，尤其是混合微波集成電路中。

介質(zhì)諧振器是一個(gè)最基本的微波元件，利用介質(zhì)諧振器可以構(gòu)成濾波器、振蕩器和天線等微波電路，有助于實(shí)現(xiàn)微波電路與系統(tǒng)的小型化和高頻化。 其在電路應(yīng)用的發(fā)展方面，很大程度上與空間和軍事電子技術(shù)的發(fā)展對(duì)微波電路小型化、集成化和高可靠性的迫切要求有關(guān)。 但介質(zhì)諧振器及其電路的出現(xiàn)，也為微波電路的民用開辟出了新的使用道路。 由于介質(zhì)諧振器的性能良好，加工方便，價(jià)格便宜，它與微波集成電路相結(jié)合，可能將成為民用產(chǎn)品中微波電路的一種重要形式。

二微波介質(zhì)諧振器的典型應(yīng)用

2.1 介質(zhì)諧振器濾波器

微波濾波器電路技術(shù)，在過去的幾十年中發(fā)展非常迅速，幾乎各種用途的微波濾波器類型都有，如低損耗的波導(dǎo)濾波器，結(jié)構(gòu)緊湊的TEM模傳輸線濾波器，可以寬帶調(diào)諧的鐵磁諧振器濾波器，以及許多特殊用途的濾波器等。 盡管如此，新的應(yīng)用仍需要新的類型濾波器，譬如說，在1～2GHz頻段內(nèi)，波導(dǎo)濾波器的尺寸過大，不切實(shí)際，而TEM模傳輸線濾波器雖然結(jié)構(gòu)比較緊湊，但在窄帶應(yīng)用中損耗又嫌太大。 在當(dāng)前微波集成電路盛行的時(shí)代，一種小尺寸、低損耗并能集成的濾波器電路是非常迫切需要的，而介質(zhì)諧振器濾波器是目前唯一可以滿足這些要求的微波濾波器。 實(shí)際上，現(xiàn)在設(shè)計(jì)出用于各種電子設(shè)備的介質(zhì)諧振器濾波器，已覆蓋了1.7～11GHz這一頻段。 可以預(yù)料，隨著介質(zhì)諧振器濾波器電路形式的發(fā)展，這種濾波器的應(yīng)用今后必將得到迅速的增長(zhǎng)。

介質(zhì)諧振器濾波器可以設(shè)計(jì)成帶通濾波器、帶阻濾波器、電調(diào)濾波器以及有源濾波器等，它們都可以用于各種傳輸線電路中。 現(xiàn)在已出現(xiàn)有各種形式的介質(zhì)諧振器濾波器，如截止波導(dǎo)型、微帶型以及同軸型等等。

2.2介質(zhì)諧振器鑒頻器和多工器電路

應(yīng)用介質(zhì)諧振器除了制作微波濾波器外，還可以用來制作微波鑒頻器和多工器。 由于介質(zhì)諧振器具有高品質(zhì)因數(shù)和低溫度系數(shù)特點(diǎn)，用它來制作微波鑒頻器當(dāng)然是極其自然的。 多工器實(shí)質(zhì)上是微波濾波器的組合應(yīng)用，用介質(zhì)諧振器來制作它也是極其自然的。

2.2.1微波鑒頻器電路

應(yīng)用介質(zhì)諧振器的微波鑒頻器電路有多種形式，有用一個(gè)介質(zhì)諧振器、兩個(gè)微波混合環(huán)和兩只肖特基勢(shì)壘二極管組成的龐特型微波鑒頻器； 也有振幅型和相位型微波鑒頻器。 振幅型微波鑒頻器是一種利用介質(zhì)諧振器的諧振曲線幅度特性實(shí)現(xiàn)鑒頻作用的振幅型鑒頻器，它由兩個(gè)參差調(diào)諧的介質(zhì)諧振器、兩個(gè)極性相反的微帶檢波器和微帶低通濾波器等組成。

2.2.2雙工器電路

雙工器通常用來分離同一信道中兩個(gè)不同頻率的信號(hào)，或者將兩個(gè)不同頻率的信號(hào)無損耗地納入同一信道中。雙工器主要由濾波器構(gòu)成，最常用的雙工器電路均能用介質(zhì)諧振器濾波器來實(shí)現(xiàn)。

2.2.3多工器電路

多工器的作用與雙工器相似，它將同一信道中若干個(gè)不同頻率的信號(hào)分離出來。實(shí)際上多工器可根據(jù)雙工器的原理，增加不同頻率濾波器的數(shù)目構(gòu)成，特別是利用方向?yàn)V波器更為方便。原則上講，其它形式雙工器的組合同樣也可以構(gòu)成多工器。

2.3介質(zhì)諧振器穩(wěn)頻微波固態(tài)源

應(yīng)用介質(zhì)諧振器可以設(shè)計(jì)出一種頻率穩(wěn)定性好、Q值高和噪聲低的新型微波震蕩源，這種振蕩源稱為介質(zhì)諧振器振蕩器（DRO）。介質(zhì)諧振器振蕩器雖然也有用鎖相或AFC（自動(dòng)頻率控制）方式進(jìn)行穩(wěn)頻，但是多數(shù)是屬于介質(zhì)諧振器直接穩(wěn)頻的振蕩器。介質(zhì)諧振器振蕩器的主要優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度高、噪聲低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、對(duì)機(jī)械振動(dòng)和電源瞬變過程不敏感，并且在一到幾十GHz頻率范圍內(nèi)，可直接產(chǎn)生所需頻率的震蕩而無需倍頻。正因?yàn)槿绱?，介質(zhì)諧振器的應(yīng)用日益廣泛，尤其在通信系統(tǒng)、雷達(dá)信標(biāo)、電子對(duì)抗接收機(jī)、導(dǎo)彈應(yīng)答機(jī)、專用測(cè)試設(shè)備以及氣象雷達(dá)等設(shè)備中。

介質(zhì)諧振器與覆蓋微波頻段的各種有源器件一起，可制成各種頻率的集成固態(tài)振蕩器。1到5GHz頻段可用雙極晶體管；5到19GHz可用場(chǎng)效應(yīng)晶體管；用體效應(yīng)管時(shí)震蕩頻率可高達(dá)50GHz以上。不過目前最適用介質(zhì)諧振器振蕩器的頻率范圍是2到12GHz，在此頻率范圍內(nèi)，它甚至比腔穩(wěn)振蕩器和晶振倍頻源還有更多的優(yōu)點(diǎn)。它的可靠性據(jù)計(jì)算比晶振倍頻源要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，它的頻率穩(wěn)定度和單邊帶噪聲雖不如晶振，但比腔穩(wěn)振蕩器要好。

頻率低于2GHz時(shí)，由于目前性能較好的介質(zhì)材料的介電常數(shù)不夠高，所以介質(zhì)諧振器振蕩器就顯得太大了。頻率高于12GHz，由于現(xiàn)有的微波介質(zhì)材料的Q值不夠高，所以振蕩器的性能就要差些。但隨著微波介質(zhì)材料的發(fā)展，介質(zhì)諧振器振蕩器的最佳運(yùn)用的頻率范圍也將隨之?dāng)U展。

2.4應(yīng)用介質(zhì)諧振器的微波電路組件

應(yīng)用介質(zhì)諧振器可以制作各種混合微波集成電路組件，用它們作為各種途徑的微波前端，不僅性能好而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小，重量輕，價(jià)格便宜。用它做成的微波頻率綜合器，其噪聲之低是一般微波電路難以比擬的。高概率截獲接收機(jī)中用它來作近百路的頻率分辨裝置，其結(jié)構(gòu)之緊湊是其它高Q微波電路無法達(dá)到的。還有其它一些應(yīng)用也充分顯示了它的優(yōu)異特性。

三微波介質(zhì)諧振器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

3.1介電常數(shù)。

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。一般來說，在微波波段內(nèi)，相對(duì)介電常數(shù)εr要大于30，但在微波波段需要介電常數(shù)接近于100的材料，在毫米波波段則需要在介電常數(shù)在20左右的材料。

3.2頻率溫度系數(shù)。
介質(zhì)諧振器的頻率溫度系數(shù)τf由材料的介電常數(shù)溫度系數(shù)τε與材料的熱膨脹系數(shù)α所決定，它們之間的關(guān)系近似為：。為了使介質(zhì)諧振器的頻率溫度系數(shù)小于銅制諧振腔的頻率溫度系數(shù)，材料的τε應(yīng)小于40ppm/℃，陶瓷介質(zhì)材料的熱膨脹系數(shù)通常不大于幾個(gè)ppm/℃。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)τf=0℃)，就是接近于零的頻率溫度系數(shù) ppm/℃，從而可以實(shí)現(xiàn)器件的高穩(wěn)定性和高可靠性。

3.3品質(zhì)因數(shù)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。不同電路應(yīng)對(duì)諧振器的Q值會(huì)有不同的要求。例如：用于濾波器的介質(zhì)諧振器Q值應(yīng)該要求高些，最好不低于6000，而用于一般穩(wěn)頻電路的Q值應(yīng)適當(dāng)?shù)托蠹s在3000左右。

四介質(zhì)諧振器產(chǎn)品介紹

介質(zhì)諧振器產(chǎn)品

微波介質(zhì)諧振器產(chǎn)品編碼規(guī)則如下：

① 表示產(chǎn)品類型：微波介質(zhì)諧振器。

② 表示材料種類。

③ 表示諧振頻率：前兩位代表整數(shù)，后兩位代表小數(shù)。例如：2213=22.13GHz，0901=9.01GHz。

④ 表示產(chǎn)品直徑：首字母 D 代表直徑，2-3 位代表標(biāo)稱數(shù)值，最后一位代表零的個(gè)數(shù)，R 代表小數(shù)點(diǎn)的位置，如 D120=12.0mm，D101=100.0mm，D1R2=1.2mm，DR10=0.10mm。

⑤ 表示直徑公差：A=±2%，B=±5%。

⑥ 表示產(chǎn)品厚度：首字母 T 代表厚度，2-3 位代表標(biāo)稱數(shù)值，最后一位代表零的個(gè)數(shù)，R 代表小數(shù)點(diǎn)的位置，例如 T120=12.0mm，T101=100.0mm，T5R2=5.2mm，TR10=0.10mm。

⑦ 表示厚度公差：A=±2%，B=±5%。

五市場(chǎng)應(yīng)用前景

隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)日新月異的發(fā)展，通訊設(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也越來越加強(qiáng)?，F(xiàn)代無線和衛(wèi)星系統(tǒng)為了能達(dá)到某個(gè)特定的功能，需要對(duì)其進(jìn)行一些諸如特定的頻段、信道帶寬、干擾和流量模式等工作條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于這些系統(tǒng)缺乏便捷性和適應(yīng)性，因而被限制了性能，這就需要在這些通信系統(tǒng)中使用具有很高Q值的微波濾波器。

審核編輯：湯梓紅