介质谐振器介绍

一背景介绍

微波介质谐振器由于其体积小、重量轻、介电常数和Q值高、温度稳定性好等特点 ,引起了人们的广泛关注。 介质谐振器虽然是二十世纪六十年代才被人重视、七十年代才得到迅速发展的一种新型微波元件，但它孕育的时间很长，可追溯到二十世纪30年代末， 美国斯坦福大学的学者R.D.Richtmyer在1939年从理论上证明了：未金属化的高介电常数和低损耗的介质可作为微波电磁谐振器，他把这种谐振器称为介质谐振器，但限于当时的工艺和技术水平，没有研制出微波损耗足够小的高介电常数介质材料。 直到六十年代，由于材料科学和技术的不断发展，使得研制低损耗、高介电常数的微波介质材料成为可能，同时由于空间技术上也有了不断的进步，使得人们对电子设备的高可靠性和小型化的要求日益迫切。 经过几年努力，七十年代终于在美国和日本等国先后研制成几种性能符合要求的陶瓷介质系列材料，如钛酸钡、锆酸盐和钛酸锆锡等。 从此，介质谐振器才真正作为一种新的微波元件应用到微波电路中，尤其是混合微波集成电路中。

介质谐振器是一个最基本的微波元件，利用介质谐振器可以构成滤波器、振荡器和天线等微波电路，有助于实现微波电路与系统的小型化和高频化。 其在电路应用的发展方面，很大程度上与空间和军事电子技术的发展对微波电路小型化、集成化和高可靠性的迫切要求有关。 但介质谐振器及其电路的出现，也为微波电路的民用开辟出了新的使用道路。 由于介质谐振器的性能良好，加工方便，价格便宜，它与微波集成电路相结合，可能将成为民用产品中微波电路的一种重要形式。

二微波介质谐振器的典型应用

2.1 介质谐振器滤波器

微波滤波器电路技术，在过去的几十年中发展非常迅速，几乎各种用途的微波滤波器类型都有，如低损耗的波导滤波器，结构紧凑的TEM模传输线滤波器，可以宽带调谐的铁磁谐振器滤波器，以及许多特殊用途的滤波器等。 尽管如此，新的应用仍需要新的类型滤波器，譬如说，在1～2GHz频段内，波导滤波器的尺寸过大，不切实际，而TEM模传输线滤波器虽然结构比较紧凑，但在窄带应用中损耗又嫌太大。 在当前微波集成电路盛行的时代，一种小尺寸、低损耗并能集成的滤波器电路是非常迫切需要的，而介质谐振器滤波器是目前唯一可以满足这些要求的微波滤波器。 实际上，现在设计出用于各种电子设备的介质谐振器滤波器，已覆盖了1.7～11GHz这一频段。 可以预料，随着介质谐振器滤波器电路形式的发展，这种滤波器的应用今后必将得到迅速的增长。

介质谐振器滤波器可以设计成带通滤波器、带阻滤波器、电调滤波器以及有源滤波器等，它们都可以用于各种传输线电路中。 现在已出现有各种形式的介质谐振器滤波器，如截止波导型、微带型以及同轴型等等。

2.2介质谐振器鉴频器和多工器电路

应用介质谐振器除了制作微波滤波器外，还可以用来制作微波鉴频器和多工器。 由于介质谐振器具有高品质因数和低温度系数特点，用它来制作微波鉴频器当然是极其自然的。 多工器实质上是微波滤波器的组合应用，用介质谐振器来制作它也是极其自然的。

2.2.1微波鉴频器电路

应用介质谐振器的微波鉴频器电路有多种形式，有用一个介质谐振器、两个微波混合环和两只肖特基势垒二极管组成的庞特型微波鉴频器； 也有振幅型和相位型微波鉴频器。 振幅型微波鉴频器是一种利用介质谐振器的谐振曲线幅度特性实现鉴频作用的振幅型鉴频器，它由两个参差调谐的介质谐振器、两个极性相反的微带检波器和微带低通滤波器等组成。

2.2.2双工器电路

双工器通常用来分离同一信道中两个不同频率的信号，或者将两个不同频率的信号无损耗地纳入同一信道中。双工器主要由滤波器构成，最常用的双工器电路均能用介质谐振器滤波器来实现。

2.2.3多工器电路

多工器的作用与双工器相似，它将同一信道中若干个不同频率的信号分离出来。实际上多工器可根据双工器的原理，增加不同频率滤波器的数目构成，特别是利用方向滤波器更为方便。原则上讲，其它形式双工器的组合同样也可以构成多工器。

2.3介质谐振器稳频微波固态源

应用介质谐振器可以设计出一种频率稳定性好、Q值高和噪声低的新型微波震荡源，这种振荡源称为介质谐振器振荡器（DRO）。介质谐振器振荡器虽然也有用锁相或AFC（自动频率控制）方式进行稳频，但是多数是属于介质谐振器直接稳频的振荡器。介质谐振器振荡器的主要优点是频率稳定度高、噪声低、体积小、结构简单、价格低廉、对机械振动和电源瞬变过程不敏感，并且在一到几十GHz频率范围内，可直接产生所需频率的震荡而无需倍频。正因为如此，介质谐振器的应用日益广泛，尤其在通信系统、雷达信标、电子对抗接收机、导弹应答机、专用测试设备以及气象雷达等设备中。

介质谐振器与覆盖微波频段的各种有源器件一起，可制成各种频率的集成固态振荡器。1到5GHz频段可用双极晶体管；5到19GHz可用场效应晶体管；用体效应管时震荡频率可高达50GHz以上。不过目前最适用介质谐振器振荡器的频率范围是2到12GHz，在此频率范围内，它甚至比腔稳振荡器和晶振倍频源还有更多的优点。它的可靠性据计算比晶振倍频源要高一个数量级，它的频率稳定度和单边带噪声虽不如晶振，但比腔稳振荡器要好。

频率低于2GHz时，由于目前性能较好的介质材料的介电常数不够高，所以介质谐振器振荡器就显得太大了。频率高于12GHz，由于现有的微波介质材料的Q值不够高，所以振荡器的性能就要差些。但随着微波介质材料的发展，介质谐振器振荡器的最佳运用的频率范围也将随之扩展。

2.4应用介质谐振器的微波电路组件

应用介质谐振器可以制作各种混合微波集成电路组件，用它们作为各种途径的微波前端，不仅性能好而且电路结构简单紧凑，体积小，重量轻，价格便宜。用它做成的微波频率综合器，其噪声之低是一般微波电路难以比拟的。高概率截获接收机中用它来作近百路的频率分辨装置，其结构之紧凑是其它高Q微波电路无法达到的。还有其它一些应用也充分显示了它的优异特性。

三微波介质谐振器关键技术参数

3.1介电常数。

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。一般来说，在微波波段内，相对介电常数εr要大于30，但在微波波段需要介电常数接近于100的材料，在毫米波波段则需要在介电常数在20左右的材料。

3.2频率温度系数。
介质谐振器的频率温度系数τf由材料的介电常数温度系数τε与材料的热膨胀系数α所决定，它们之间的关系近似为：。为了使介质谐振器的频率温度系数小于铜制谐振腔的频率温度系数，材料的τε应小于40ppm/℃，陶瓷介质材料的热膨胀系数通常不大于几个ppm/℃。目前己实用化的微波介质陶瓷材料的频率温度系数可达τf=0℃)，就是接近于零的频率温度系数 ppm/℃，从而可以实现器件的高稳定性和高可靠性。

3.3品质因数Q。

滤波器的一个重要要求是插入损耗低，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。不同电路应对谐振器的Q值会有不同的要求。例如：用于滤波器的介质谐振器Q值应该要求高些，最好不低于6000，而用于一般稳频电路的Q值应适当低些，大约在3000左右。

四介质谐振器产品介绍

介质谐振器产品

微波介质谐振器产品编码规则如下：

① 表示产品类型：微波介质谐振器。

② 表示材料种类。

③ 表示谐振频率：前两位代表整数，后两位代表小数。例如：2213=22.13GHz，0901=9.01GHz。

④ 表示产品直径：首字母 D 代表直径，2-3 位代表标称数值，最后一位代表零的个数，R 代表小数点的位置，如 D120=12.0mm，D101=100.0mm，D1R2=1.2mm，DR10=0.10mm。

⑤ 表示直径公差：A=±2%，B=±5%。

⑥ 表示产品厚度：首字母 T 代表厚度，2-3 位代表标称数值，最后一位代表零的个数，R 代表小数点的位置，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%。

五市场应用前景

随着现代通讯技术日新月异的发展，通讯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也越来越加强。现代无线和卫星系统为了能达到某个特定的功能，需要对其进行一些诸如特定的频段、信道带宽、干扰和流量模式等工作条件进行设计。由于这些系统缺乏便捷性和适应性，因而被限制了性能，这就需要在这些通信系统中使用具有很高Q值的微波滤波器。

审核编辑：汤梓红