片式微波谐振器的设计—以5.4GHz微带线谐振器为例

片式微波谐振器的设计—以5.4GHz微带线谐振器为例

摘要：进入新世纪，信息技术急速发展，需要设计出新型的微波元器件来满足

小型化、便携化的要求。本项目设计的谐振器：中心工作频率为5.4GHz、特征阻

抗匹配为50Ω，品质因素≥100，尺寸为4mm*3mm*1mm。设计的过程包涵了，

原理的介绍、参数计算与材料选择、材料的制备以及软件仿真等。

关键词：微波；谐振器；微带线；sonnet仿真软件

一、微带线谐振器设计原理

1.1微波及其基本特点

微波的频率与一般无线电波比较更加得高，这种量变使得波发生了质变。因此微波的应

用领域、研究方法及其所用的传输系统、元器件等都与其他波段不同。

1.2微带线简介与其性质

1.2.1微带线简介

微带线属于敞开式部分填充介质的双导体传输线，其由基片上面的导带和基片下部的金

属接地板构成。电路仅由带条状的导体构成可以做到平面化、紧密化。

1.2.2微带线的有效相对介电常数及损耗

微带线属于部分填充介质：导带上方为空气，下方为基片。其介质包涵上述两个部分，

故介电常数不能只用空气或者基片的，而需要使用一个等效量进行修正，这就是有效相对介

电常数。由于微带线的结构并不是封闭的，因此微带线上的损耗在特征阻抗和工作频率相同

时远远大于同轴线等。

1.3 微波谐振器

1.3.1微波谐振器简介

微波谐振器是一种具备储存能量以及选频性能的元件。在谐振器中电磁能量并不能够进

行传递，而只是反复的振荡，表现为微波在谐振器上以驻波形式分布。

1.3.2微带线谐振器

在微波集成电路中，广泛使用微带线作为其元器件。在需要用到谐振回路的电路部分，

均能采用微带线谐振器来构成。本次设计的谐振器由1/4λ一端开路一端短路的微带线组成。

二、微带线谐振器参数计算与材料选择

2.1 目标谐振器参数要求

尺寸：4×3×1（mm）频率：5.4GHz 品质因数：Q≥100阻抗：50Ω

2.2 参数初步计算

2.3参数综合计算

2.4材料选择

参考（《电子材料》李言荣著P226）后，决定选取钛酸钡为微波材料。其中：，

选取银作为导体。参考（《微波技术》顾继慧著P397）知， s/m

三、微带线谐振器的材料制备

3.1 BaTiO3陶瓷基片的制备

BaTiO3陶瓷材料有着高介电常数、小介电损耗、相对大的机电耦合系数以及适中的机械

品质因数。在制造基片中得到广泛应用。当配置粘度为6.0Pa.S的浆料，流延速度、刮刀高度、干燥高度分别设定为0.4m/min、300μm、40℃时，可以制得质量好的生瓷带。当脱脂和烧结

阶段的升温速度分别设定为1℃/min和3℃/min时，可以制得高品质熟瓷片。

3.2 真空镀膜中心导电带

为了在BaTiO3陶瓷的基片镀上一层银膜以形成中心导电带，使用真空溅射法镀膜最为合适。将高纯度银靶固定阴极上，并在阳极上安置BaTiO3陶瓷基片。在基片的上部留出合适空隙宽度将掩模板精准放置。将体系抽到高度真空，再注入少量的稀有气体，并在极间加上高压，击穿介质产生放电。从靶面打出的溅射银原子,在基片表面沉积银膜。控制源的蒸发速度

等，可以使厚度仅为10微米。

四、微带线谐振器的软件仿真

4.1参数设置

使用Sonnet软件，点击“Edit Project”→“New Geometry”，首先调整单位：点击“Circuit”→“Units”，设置“Length”为“mm”。点击“Circuit”→“Box”。设置“Cell Size”为0.001；“Box Size”中X=4.0，Y=3.0

厚度及材料特性设置：点击“Circuit”→“Dielectric Layers...”。选中“GND”（基片）一行，点击右侧“Edit”，设置“”为BTO，“Thickness”=1.0mm，“Erel”=37.0，“Dielectric Loss Tan”=5.0e-4；将“0”（空气）一行中的“Thickness”设置为5.0mm

然后设置所用金属（银）的电导率，点击“Circuit”→“Metal Types”→“Add Planar...”，“Name”为Ag，“Conductivity”=6.173e7（6.173*107）S/m，“Thickness”=0.001mm 最后根据计算结果，设计电路。用“Tools Box”中的“Add a rectangle”功能，在基片中间位置画出一个矩形，左右其中一侧与边框重合表示接地；在基片上下两侧绘制2个较小矩形（一侧与边框重合），尺寸相等、位置对称，使用“Tools Box”中的“Add port”功能，在两侧矩形与边框重合处设置“1、2”端口。两侧矩形（金属）不能与中心导电带金属相连，形成耦合电容，通过调整耦合电容增大Q值。分别双击3个矩形部分，设置“Metal”为Ag。

4.2分析与调试

分析设置：点击“Analysis”→“Setup”，将“Analysis Control”选为“Linear Frequency Sweep”，“Start”=5.4-2=3.4GHz，“Stop”=5.4+2=7.4GHz，“Step”=0.1GHz。点击“Project”→“Analyze”开始仿真分析。

图线分析：点击“Project”→“View Response”→“New Graph”，生成图线，纵坐标默认“Magnitude（dB）”，横坐标默认“Frequency（GHz）”，不做改动。双击左侧“Left Axis”区域的“DB[S11]”，添加响应“DB[S12]”，选取图线最高点（中心频率）。如显示频率不为5.4GHz，进行后续调试工作。

最终结果：

五、微带线谐振器设计总结

本次设计的片式微波谐振器，采用了1/4波长一端短路一端开路的微带线来设计，取得了良好效果。其中采用流延法制备了BaTi03陶瓷基片并采用真空溅射法在基片镀上银膜以形成中心导电带。最终达到了设计要求。

参考文献：

[1]顾继慧编著.微波技术[M].科学出版社,2008.

[2]费张平.流延法制备钛酸钡基陶瓷基板及介电性能研究[D].合肥工业大学,2014.