一背景介紹

微波介質諧振器由于其體積小、重量輕、介電常數和Q值高、溫度穩定性好等特點 ,引起了人們的廣泛關注。 介質諧振器雖然是二十世紀六十年代才被人重視、七十年代才得到迅速發展的一種新型微波元件，但它孕育的時間很長，可追溯到二十世紀30年代末， 美國斯坦福大學的學者R.D.Richtmyer在1939年從理論上證明了：未金屬化的高介電常數和低損耗的介質可作為微波電磁諧振器，他把這種諧振器稱為介質諧振器，但限于當時的工藝和技術水平，沒有研制出微波損耗足夠小的高介電常數介質材料。 直到六十年代，由于材料科學和技術的不斷發展，使得研制低損耗、高介電常數的微波介質材料成為可能，同時由于空間技術上也有了不斷的進步，使得人們對電子設備的高可靠性和小型化的要求日益迫切。 經過幾年努力，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系列材料，如鈦酸鋇、鋯酸鹽和鈦酸鋯錫等。 從此，介質諧振器才真正作為一種新的微波元件應用到微波電路中，尤其是混合微波集成電路中。

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

二微波介質諧振器的典型應用

2.1 介質諧振器濾波器

微波濾波器電路技術，在過去的幾十年中發展非常迅速，幾乎各種用途的微波濾波器類型都有，如低損耗的波導濾波器，結構緊湊的TEM模傳輸線濾波器，可以寬帶調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，新的應用仍需要新的類型濾波器，譬如說，在1～2GHz頻段內，波導濾波器的尺寸過大，不切實際，而TEM模傳輸線濾波器雖然結構比較緊湊，但在窄帶應用中損耗又嫌太大。 在當前微波集成電路盛行的時代，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。 實際上，現在設計出用于各種電子設備的介質諧振器濾波器，已覆蓋了1.7～11GHz這一頻段。 可以預料，隨著介質諧振器濾波器電路形式的發展，這種濾波器的應用今后必將得到迅速的增長。

介質諧振器濾波器可以設計成帶通濾波器、帶阻濾波器、電調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。 現在已出現有各種形式的介質諧振器濾波器，如截止波導型、微帶型以及同軸型等等。

2.2介質諧振器鑒頻器和多工器電路

應用介質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。 由于介質諧振器具有高品質因數和低溫度系數特點，用它來制作微波鑒頻器當然是極其自然的。 多工器實質上是微波濾波器的組合應用，用介質諧振器來制作它也是極其自然的。

2.2.1微波鑒頻器電路

應用介質諧振器的微波鑒頻器電路有多種形式，有用一個介質諧振器、兩個微波混合環和兩只肖特基勢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諧振器的諧振曲線幅度特性實現鑒頻作用的振幅型鑒頻器，它由兩個參差調諧的介質諧振器、兩個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不同頻率的信號，或者將兩個不同頻率的信號無損耗地納入同一信道中。雙工器主要由濾波器構成，最常用的雙工器電路均能用介質諧振器濾波器來實現。

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不同頻率的信號分離出來。實際上多工器可根據雙工器的原理，增加不同頻率濾波器的數目構成，特別是利用方向濾波器更為方便。原則上講，其它形式雙工器的組合同樣也可以構成多工器。

2.3介質諧振器穩頻微波固態源

應用介質諧振器可以設計出一種頻率穩定性好、Q值高和噪聲低的新型微波震蕩源，這種振蕩源稱為介質諧振器振蕩器（DRO）。介質諧振器振蕩器雖然也有用鎖相或AFC（自動頻率控制）方式進行穩頻，但是多數是屬于介質諧振器直接穩頻的振蕩器。介質諧振器振蕩器的主要優點是頻率穩定度高、噪聲低、體積小、結構簡單、價格低廉、對機械振動和電源瞬變過程不敏感，并且在一到幾十GHz頻率范圍內，可直接產生所需頻率的震蕩而無需倍頻。正因為如此，介質諧振器的應用日益廣泛，尤其在通信系統、雷達信標、電子對抗接收機、導彈應答機、專用測試設備以及氣象雷達等設備中。

介質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振蕩器。1到5GHz頻段可用雙極晶體管；5到19GHz可用場效應晶體管；用體效應管時震蕩頻率可高達50GHz以上。不過目前最適用介質諧振器振蕩器的頻率范圍是2到12GHz，在此頻率范圍內，它甚至比腔穩振蕩器和晶振倍頻源還有更多的優點。它的可靠性據計算比晶振倍頻源要高一個數量級，它的頻率穩定度和單邊帶噪聲雖不如晶振，但比腔穩振蕩器要好。

頻率低于2GHz時，由于目前性能較好的介質材料的介電常數不夠高，所以介質諧振器振蕩器就顯得太大了。頻率高于12GHz，由于現有的微波介質材料的Q值不夠高，所以振蕩器的性能就要差些。但隨著微波介質材料的發展，介質諧振器振蕩器的最佳運用的頻率范圍也將隨之擴展。

2.4應用介質諧振器的微波電路組件

應用介質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構簡單緊湊，體積小，重量輕，價格便宜。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。高概率截獲接收機中用它來作近百路的頻率分辨裝置，其結構之緊湊是其它高Q微波電路無法達到的。還有其它一些應用也充分顯示了它的優異特性。

三微波介質諧振器關鍵技術參數

3.1介電常數。

諧振器的尺寸和電介質材料的介電常數的平方根成反比。所以電介質材料的介電常數越大，所需要的電介質陶瓷塊體就越小，諧振器的尺寸也就越小。一般來說，在微波波段內，相對介電常數εr要大于30，但在微波波段需要介電常數接近于100的材料，在毫米波波段則需要在介電常數在20左右的材料。

3.2頻率溫度系數。
介質諧振器的頻率溫度系數τf由材料的介電常數溫度系數τε與材料的熱膨脹系數α所決定，它們之間的關系近似為：。為了使介質諧振器的頻率溫度系數小于銅制諧振腔的頻率溫度系數，材料的τε應小于40ppm/℃，陶瓷介質材料的熱膨脹系數通常不大于幾個ppm/℃。目前己實用化的微波介質陶瓷材料的頻率溫度系數可達τf=0℃)，就是接近于零的頻率溫度系數 ppm/℃，從而可以實現器件的高穩定性和高可靠性。

3.3品質因數Q。

濾波器的一個重要要求是插入損耗低，微波介質材料Q值與介質損耗tand成反比關系。Q值越大，濾波器的插入損耗就越低。不同電路應對諧振器的Q值會有不同的要求。例如：用于濾波器的介質諧振器Q值應該要求高些，最好不低于6000，而用于一般穩頻電路的Q值應適當低些，大約在3000左右。

四介質諧振器產品介紹

介質諧振器產品

微波介質諧振器產品編碼規則如下：

① 表示產品類型：微波介質諧振器。

② 表示材料種類。

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

④ 表示產品直徑：首字母 D 代表直徑，2-3 位代表標稱數值，最后一位代表零的個數，R 代表小數點的位置，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 表示產品厚度：首字母 T 代表厚度，2-3 位代表標稱數值，最后一位代表零的個數，R 代表小數點的位置，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%。

五市場應用前景

隨著現代通訊技術日新月異的發展，通訊設備使用要求的特殊性使得人們對通信系統裝備的重量和尺寸要求越來越高，特別是對移動通信系統中濾波器的小型化、輕便化、高頻化、低功耗化方面的要求也越來越加強。現代無線和衛星系統為了能達到某個特定的功能，需要對其進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行設計。由于這些系統缺乏便捷性和適應性，因而被限制了性能，這就需要在這些通信系統中使用具有很高Q值的微波濾波器。

審核編輯：湯梓紅