5GHz微带线谐振器资料.docx

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5GHz微带线谐振器资料

实验报告

实验名称:

微带谐振器

学院:

材料科学与工程

专业/班级:

材料科学电子元器件1班

学生姓名:

*******

学　　号:

…………

指导教师:

****

开始时间:

2012年4月3日

完成时间:

2012年5月6日

实习地点:

现场表现（出勤、纪律）（20）

实习任务完成情况（30）

报告书质量（50）

总评

摘要……………………………………………………2

第一章微波简介……………………………………..3

1.微波简介

2.微波谐振器简介

3.低频电路→LC回路高频电路→谐振腔

4.从LC回路到谐振腔的演变过程

5.几种常见的实用的微波谐振器

第二章设计过程……………………………….7

1.所设计谐振器需满足参数

2.初步确定设计谐振器的类型

3.微带线简介

4.一些材料的介电常数和损耗角正切

5.确定基片和中心导带

6.微带线匹配问题

7.Sonnet软件仿真

8.模拟Q值与计算Q值比较

第三章设计微带线制作的工艺步骤………….19

1.钛酸钡陶瓷制备总工艺流程

2.钛酸钡陶瓷粉粒的制备

3.钛酸钡粉粒的烧结

4.中心导带的制作——真空镀膜

参考文献………………………………………….21

摘要

微波谐振器是微波系统中的一个最基本的元件，广泛应用于振荡器、放大器、滤波器、频率计等器件中。

微波谐振器的工作情况和电路理论中的LC集总参数谐振电路类似，在微波电路中也起着储能和选频的作用。

微波谐振器的结构形式很多，既可由TEM波和非TEM波传输线构成，也可由非传输线的特殊腔体构成。

第一章微波简介

1.微波简介

微波是指频率300MHz-3000GHz的电磁波，是无线电波中的一个频段，即波长在米（不含1米）到0.1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。

微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”，微波作为一种电磁波具有波粒二象性。

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。

对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。

对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。

而对金属类东西，则会反射微波。

2.微波谐振器简介

☐微波谐振器，广泛应用于微波信号源、微波滤波器及波长计中。

它相当于低频集中参数的LC谐振回路，是一种基本的微波元件。

☐微波谐振器可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成，电磁波在其上呈驻波分布，即电磁能量不能传输，只能来回振荡。

因此微波谐振器是具有储能与选频特性的微波元件。

微波谐振器的应用举例

3.低频电路→LC回路高频电路→谐振腔

本质上两者物理过程均是电场能量和磁场能量相互转化的过程，但二者又有不同的特点：

①、LC回路是集总参数电路，而谐振腔是分布参数电路；

②LC谐回路只有一个振荡模式和一个谐振频率；而谐振腔有无限多个振荡模式和无限多个振荡频率。

这些差异使用来分析和衡量谐振回路的基本参量及分析方法有所不同。

例如谐振频率f0、品质因数Q、特征阻抗Z0。

LC谐振器在高频微波段缺点：

a.尺寸变小，储能空间小，容量低；

b.损耗增加：

辐射损耗、欧姆损耗及介质热损耗增大，品质因数低，频率选择性差。

谐振腔高频微波段优点：

小型化、轻便化、高频化、低功耗化、低成本化

4.从LC回路到谐振腔的演变过程

5.几种常见的实用的微波谐振器

◆同轴谐振器：

λ/2同型同轴谐振腔

λ/4同型同轴谐振腔

电容加载型同轴谐振腔

◆波导谐振腔：

矩形谐振腔

圆柱谐振腔

◆带状线与微带线谐振器：

带状线谐振器

微带线谐振器

◆介质谐振器

第二章设计过程

1.所设计谐振器需满足参数：

•中心频率f0:

5GHz

•尺寸：

4x3x1（mm）

•品质因数Q>80

•阻抗：

50Ω

2.初步确定设计谐振器的类型

3.微带线简介

一般的传输线由两个或两个以上的导体组成，用来传输横电磁波（TEM波），常见的传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等。

其中，微带线是最普遍使用的平面传输线之一，微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其他无源和有源器件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。

微带线的几何形状如图（a）所示，导带的宽度w是印在薄的、接地的介质基片上，基片的厚度为d，相对介电常数，电磁场示意图如图（b）所示。

微带线是一根带状导（信号线）．与地平面之间用一种电介质隔离开。

如果线的厚度t、宽度W以及与地平面之间h的距离是可控制的，则它的特性阻抗Z0也是可以控制的。

  微带线可以看成是由同轴线演变而来。

其演变过程为：

把同轴线的外导体对半剖开去其一半，并把剩余的一半外导体向上或向下拉开展平，然后把内导体作成扁平状态。

  同轴谐振腔有λ/2、λ/4型。

因此设计微带线也有这两种类型。

其中中心导带的长度约为l=λ0/4 或l=λ0/2。

4.一些材料的介电常数和损耗角正切

此图表摘自微波工程（第三版）[美]DavidM.Pozar著P.588

5.确定基片和中心导带

由前面中心导带长度l计算公式和εr和λ0关系式知道，如果选用材料的εr过大，则会使l过小，不利工艺加工；如果过大则不满足尺寸要求，综合以上信息考虑，选取εr大致为36的钛酸钡作为基片。

         同时确定中心导带金属为金，金在空气中不易氧化，在镀膜工艺时不易氧化，延展性，导热性方面都具有良好的性能。

其中中心导带的厚度为t=0.01mm，宽度W=1.00mm。

基片厚度为d=1.00mm。

则可以确定中心导带长度大致为

l=60 ÷√36÷4=2.5mm

6.微带线匹配问题

该微带线有效介电常数为

ε=（ε+1）/2+（ε−1）/2-1/√（1+12d/w） ,

带人数值ε=36，d/W=1，得εe=23.3536.

则特征阻抗Z0=60/√（εe）ln（8d/w+w/4d）,带入εe=23.3536 ,有Z0=26.20Ω≠50.00Ω,则与电路阻抗不匹配。

则谐振器必须增加耦合电路才能够正常工作

7.Sonnet软件仿真

在Cicuit=>Units将单位改为mm，在Cicuit=>Box确定器件整体尺寸4.0*3.0mm以及精度为0.02mm。

◆在Cicuit=>MetalTypes选项里建立导电率σ为4.10x107S/m，厚度t为0.01mm的Metal1；在容器内用Toolbox作出长度l大致为2.5mm，宽为1.00mm的矩形。

双击矩形区域，选择金属类型为Metal1。

（注意矩形与边界相连时，软件默认表示接地）

◆同理用Toolbox作出中心导带两旁的电容，选择相同的Matel1，再添加端口1、2。

（因为还没有调节，随便画两个相同的矩形即可）

◆选择Circuit=>DielectricLayers，设置基板上面空气厚度以及基板厚度d，εr和损耗tanδ，保存。

（一般空气厚度约为基板厚度的3-5倍）

◆然后选择Analysis=>Steup设置扫描方式及扫描范围。

选择Project=>Analyze分析。

先微调中心导带的长度以使中心频率在5GHz，再调节两旁的电容大小，反复调试，使DB[S12]和DB[S21]越尖锐越好，直到满足Q值为止。

（其中Q=（f2-f1）/f0；f1、f2分别表示上截止和下截止频率。

经过反复试验和分析得到了如图的曲线图

查看Smith圆图：

计算波峰即有：

此时的微带线结构为

8.模拟Q值与计算Q值比较

第三章设计微带线制作的工艺步骤

1.钛酸钡陶瓷制备总工艺流程

2.钛酸钡陶瓷粉粒的制备

采用钛酸丁酯和氢氧化钡原料，采用溶胶一凝胶法制备钛酸钡粉体。

将20g的氢氧化钡溶入60mL的乙二醇甲醚中，充分振荡使之形成氨氧化钡的乙二醇甲醚溶液。

将10mL的钛酸丁脂溶入40mL的甲醇之中，充分搅拌形成钛酸丁脂的甲醇溶液。

将上述两种溶液混含，并不停的搅拌使其充分互溶。

然后加水少许形成透明的溶胶，待其老化后取出捣碎并用过滤漏斗在真空抽滤瓶下洗涤、抽滤，并在真空干燥箱中约80℃下充分干燥，然后在900℃下隔绝空气煅烧6h。

将煅烧好的块体用球磨机混料8h制成钛酸钡陶瓷粉粒。

3.钛酸钡粉粒的烧结

先将制得的钛酸钡粉粒在800~900℃之间预烧，预烧后加PVA（3%以内，浓度过高对生坯烧结不利），烘干，研磨过筛，开始烧结过程。

将研磨的粉粒浇注到4.5×3.5×1.5mm的模具中，压力成型。

（考虑加入挥发物质，烧结时体积缩小，因此多加0.5mm）

粉粒排胶在550~600℃之间保温40分钟左右，然后在1250℃保温2~4小时即可获得晶粒生长良好的钛酸钡陶瓷基片。

4.中心导带的制作——真空镀膜

简介：

真空镀膜是一种产生薄膜材料的技术。

在真空室内材料的原子从加热源离析出来打到被镀物体的表面上。

此项技术用于生产激光唱片（光盘）上的铝镀膜和由掩膜在印刷电路板上镀金属膜。

由于是在钛酸钡陶瓷基片上镀Au膜，因此选用溅射+掩膜镀膜。

用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基片上。

常用的二极溅射设备如图。

将高纯Au（纯度：

99.9%-99.9999%）制成板材Au靶,固定在阴极上。

钛酸钡陶瓷基片置于正对Au靶面的阳极上,距Au靶几厘米。

将掩模板精确的放置在基片上面。

系统抽至高真空后充入1～10帕的氩气，在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。

放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与Au靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的溅射Au原子,溅射Au原子在基片表面沉积成Au膜。

调节蒸发源的蒸发速率、时间和源与基片的距离，使膜厚为0.01mm即可。

参考文献

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电子工业出版社，2006.3：

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华南理工大学出版社，2007.3:

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[3]张瑜,郝文辉,高金辉.微波技术及应用[M].西安：

西安电子科技大学出版社，2006.1:

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[4]Young,K.F.andFrederikse,H.P.R.,J.Phys.Chem.Ref.Data，2,313,1973：

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[5]杜锋涛,赵俊英,畅柱国,崔斌,唐宗薰.低烧钛酸钡基介电陶瓷的研究进展[J].材料科学与工程学报，2009.4，27

（2）：

324-328

[6]罗建辉.电子陶瓷粉体——钛酸钡的制备[J].材料导报，1993，No.5:

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[7]颜学敏,雷家珩,张安富,杨凤霞,张端明.电子陶瓷钛酸钡粉体的液相合成[J].化学通报，2005，68:

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自然科学版，2008.4，29

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[9]王桂芹,陈晓东,段玉平,李伟平,刘顺华,温斌.钛酸钡陶瓷材料的制备及电磁性能研究[J].无机材料学报，2007.3，22

（2）:

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心得体会