1055MHz独块状介质滤波器的研究

利用相对介电常数为 78 的高 Q 值陶瓷制作。从而使滤波器获得了中心频率为 1 055 MHz、插入衰耗小于 3.2 dB 的性
能。结果表明，该滤波器满足了 900~1 300 MHz 频率范围军事通讯要求。
关键词：滤波器；微波陶瓷；设计原理
中图分类号： TN713+.3
文献标识码：A
文章编号：1001-2028（2002）02-0013-03
式可见，QC 不仅与谐振子即谐振器外形尺寸有关；还
1 = 1 + 1 + 1 + LL Q0 QR QC Qd
（3）
与谐振器所形成的金属膜材料的电导率、金属膜与介 质材料附着力有关，即谐振器 QC 与同轴谐振器截面
式中：QR 为陶瓷材料的品质因数；QC 为谐振子表面 积的大小成正比；与谐振器所形成的金属膜材料的电
率较小，谐振子尺寸一致性较好，密度较大，瓷体致
密，Q 值较高。
2.3 谐振子特性对滤波器性能的影响
根据微波传输线理论可知，谐振子长度 L 与谐振
频率 fr 和εr 关系如（1）式，c 为光速。谐振器插入损
耗 B0 由(2)式估算。谐振子特性用（3）（4）（5）式表
示，滤波器插入损耗 B1 用（6）式表示。当滤波器的
级数 nБайду номын сангаас一定，滤波器插入损耗 B1 就取决于谐振器插入
损耗 B0。
L= c 4 fr εr
（1）
B0=
4.343 fr ω Q0
∑
gi
（i=1、2…n） （2）
式中：ω为带宽；gi 为滤波器的低通原型参数；Q0 为
第2期
吴坚强：1055MHz 独块状介质滤波器的研究
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谐振子的品质因数；n 为滤波器的级数。
耦合孔调整成直径大些比较方便。在固定中间耦合孔
直径 1.3 mm 后，故采用对称的耦合孔直径是 1.5 mm。
2.2 谐振子制备工艺对性能的影响
实验采用 BTS 系材料，瓷料的性能如表 3。实验
采用内圆外方的谐振子。即边长为 8 mm、内导体直
径为 2.5 mm。
瓷料系统 BTS
表 3 BTS 系瓷料的性能
穿有镀银金属针的聚四氟乙烯芯子插入谐振器内孔形 成电容耦合。
C01 C12 C23 C34 C45
C01 C12 C23 C34 C45
GA
GB GA
GB
D1 D2 D3 D4
（a）
（b）
图 2 四级式介质滤波器等效电路
Fig.2 The equal circuit of the filter consisting of four dielectric coaxial resonators
Q0）；B1 为滤波器插入损耗。
子长度可控制输入电容 C01 和输出电容 C45，通过统调
由（1）式可见，为实现小型化（L 减小），材料εr （f1、f2、f3、f4 和 C12、C23、C34），最后用 BTS 系陶
1 055 MHz Monolithic Dielectric Filter
WU Jian-qiang
(Department of Material Engineering, Jingdezhen Institute of Ceramic, Jingdezhen Jiangxi 333001)
Abstract: Discussed is the development of the small monolithic dielectric filters with low insertion loss and high stable resonance frequency. The filter is designed by Chebysher resonance method, and made from high Q factor dielectric ceramic materials, of which the dielectric constant is 78. Of the filter, the center frequency is 1 055 MHz and insertion loss less than 3.2 dB. The test results show that the filter meets the requirements of military communication applications at 900 MHz to 1 300 MHz.
单向干压
77.5~78.8
540~660
18~21 4.6~4.7
浮台干压
78.3~79.2
650~700
19~21 4.6~4.8
单向干压是只在一个方向加压。粉体存在一个压
力梯度，谐振子尺寸一致性不好，瓷件线收缩率较大。
因此，瓷体不够致密，Q 值较低。浮台干压是在两个
方向加压（相对），压力较为均匀，所以，瓷件线收缩
Tab.2 The relationship of the filter bandwidth and coupling pole’size
耦合孔直径* / mm 滤波器中心频率 / MHz
1dB 带宽 / MHz
1.1
998
10~14
1.3
1 001
13~19
1.8
999
18~29
注：*根据现有加工条件，中间耦合孔直径最小是 1.3 mm，本实验固定 中间耦合孔直径是 1.3 mm。
1.3 实验瓷料
以分析纯 BaCO3、Sm2O3、TiO2 为原料，按摩尔
比 Ba Sm2Ti5O14 进行配料。 1.4 实验工艺流程
1.4.1 谐振子制备
瓷料→ 加粘合剂→ 成型→ 烧成→ 被银、烧银
→ 备用。
1.4.2 滤波器制备
组装、芯体测量 → 调试、组装 → 焊接、测量。
1.4.3 实验仪器
金属膜的品质因数；Qd 为谐振子辐射损耗。
导率成正比。要提高 Q0，必须提高 QC。实验表明，
1 QC
=
δ
s
(1 +
π )
⋅[ a 2W
ln( 2aW )
+
1] L
π
（4）
通常选用谐振器截面是正方形或圆形，内导体的截面 是圆形，其直径是正方形边长或外径的 0.3 倍。本实 验同轴谐振器采用εr 为 78 的高 QR 陶瓷材料，用银构 成同轴电极。银同轴电极是把厚度为 20~30 µm 的银
µo 为谐振子表面金属膜的磁导率；a 为谐振子内圆半 滤波器插入损耗由各个谐振器 B0 决定。
径；W 为正方形谐振子的边长；L 为谐振子的长度。 2.4 独块状滤波器性能
B1 ∝ nBo
（6）
由于输入和输出电容用穿有镀银金属针的聚四氟
式中：n 为滤波器级数；Bo 为谐振器插入损耗（Q≈ 乙稀芯子插入谐振器内孔形成电容耦合，所以调整芯
第2期 2002 年 2 月
电子元件与材料 ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS
研 究 与 试 制 R&D
1 055 MHz 独块状介质滤波器的研究
吴坚强
（景德镇陶瓷学院材料工程系，江西 景德镇 ３３３００１）
Vol.21 No.2 Feb. 2002
摘要：讨论体积小、损耗低、稳定性高的独块状介质滤波器的研究过程。该滤波器采用切比雪夫响应的方法设计，
1 实验过程与方法
1.1 方案的确定 本实验研究的是 1 055 MHz 小体积、低插损介质
滤波器，其外形尺寸为长 30 mm、宽 8 mm、高 10 mm。 其技术要求如表 1 所示。实验采用 BTS 系材料制作独 块状微波陶瓷 TEM 模介质谐振器为滤波器的谐振子。 外形尺寸如图 1 所示。
表 1 1 055 MHz 介质滤波器技术要求 Tab.1 The property demand of 1 055 MHz dielectric filters
14
电子元件与材料
2002 年
28 4–φ 2.5 φ 1.3 2–φ 1.5
6.5
图 1 独块状微波陶瓷外形尺寸 Fig1. The size of microwave Ceramic of monoblock-typ
1.2 设计原理 根据现代微波滤波器的设计理论，采用切比雪夫
低通原型，通过计算归一化频率变量，确定滤波器的 级数和等效电路图[5,6]。当 n = 4 时，滤波器阻带衰减 可满足要求。将低通型通过频率变换和导纳变换、转
Tab.3 The properties of BTS series ceramics
介电常数(εr) 78±2
Q 值(2 GHz) ＞2 000
τf / 10-6℃–1 –10~+10
谐振子制备工艺采用单向干压和浮台干压。粉料
采用喷雾造粒，压力为 8~10 MPa,在 1 300~1 320℃烧
结。同等条件下，独块状谐振子制备工艺与性能的关
表 2 可知：随着耦合孔直径增大，滤波器带宽增
大。这是因为耦合孔直径增大，耦合电容增大，所以
滤波器带宽增大。由于采用切比雪夫低通原型；输入
和输出阻抗均为 50 Ù；故耦合电容是对称的，即 C12 和 C34 相等且大于 C23。由图 1 知，谐振子宽度为 6.5 mm，谐振子内径为 2.5 mm；实验表明，直径略小的
本文着重研究了εr为 78 独块状微波陶瓷滤波器的
设计方法和制造工艺，分析了影响滤波器插入衰耗的 主要因素。用 BaO-TiO2-Sm2O3 系（简称 BTS 系）微 波陶瓷制作含有七个圆形通孔的瓷块，其中四个直径 相等的通孔构成四个同轴谐振器；三个细通孔形成电 容耦合；最后组装了 1 055 MHz 小体积、低插损针插 式滤波器。滤波器测量结果表明，能满足设计要求。
换成电容耦合的带通型，如图 2(a)所示。根据微波传 输理论，1/4λ型同轴谐振器可等效 LC 并联谐振回路， 图 2(a)中 C1L1、C2L2 … … 便由 D1、D2……四个同轴谐 振器来取代。图 2（b）中，耦合电容数值可通过计算 导纳变换器的导纳 J01、Jj,j＋1 和 J45 来确定，由微波陶 瓷块上三个细通孔形成耦合电容。输入和输出电容用
系如表 4 所示。
表 4 谐振子制备工艺与性能的关系
Tab.4 The relationship of the properties and manufacturing technology of the resonators
成型工艺
介电常数(εr)
Q 值（900 MHz）
线收缩率 %
密度 g·cm–3
型号 1 055 MHz
中心频率 f0 MHz
1 055
插入衰耗 dB
≤3.2
1 dB 带宽 MHz ≥23
带内波动 dB ≤1
衰减 (fo±30MHz) / dB
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收稿日期：2001-10-16 修回日期：2001-11-10 作者简介：吴坚强（1958–），男，安徽休宁人，副教授，从事无机非金属材料专业教学与科研。Tel：（0798）8442860。E-mail: jianqiang.wu@263.net
CJS－2 电容器介质损耗测量仪；HP8714ET 矢量
网络分析仪。
2 结果与讨论
2.1 耦合孔大小对滤波器带宽的影响 根据微波滤波器设计原理，耦合电容大小与滤波
器带宽成正比。滤波器耦合电容由微波陶瓷块上三个 细通孔来实现，耦合孔大小与滤波器带宽的实验结果 如表 2。
L
表 2 耦合孔大小与滤波器带宽
Key words: filters; microwave ceramics; design principle
近年来，介质滤波器因具有体积小、插损低、稳 定性好和承受功率高的特点，不仅广泛用于移动通信 系统，卫星通信系统，电缆电视系统[1,2]，还用于军用 通信工程。这些装备不但对器件外观质量和环境条件 的要求相当苛刻，而且对滤波器的电性能提出高标准， 如体积小、插入衰耗小、阻带衰减大、可靠性高。据 资料报道[3,4]，进入 80 年代以后，国内陆续有人采用介 电常数εr 为 37 和 88 的微波陶瓷制作腔体介质滤波器， 但分别存在体积较大和衰耗较大的不足。因此，制造 体积小、插入衰耗小、阻带衰减大、可靠性高这类滤 波器一直是有重要应用价值的研究课题。解决这个问 题的一个有效技术途径是研制开发品质因数高、介电 常数高、频率温度系数小、独块状陶瓷谐振器。
δs =
2 ω0µ0σ c
（5）
浆先涂覆在瓷件上、烘干、然后在 860℃下烧结成的。 另外，根据滤波器外形尺寸和频率要求，选用内圆外 方的、高度为 8 mm、内导体直径为 2.5 mm 的独块状
式中：δs 为表皮深度；σc 为金属的电导率;ωo 为角频率； 谐振子。由（6）式可见，当滤波器尺寸和级数已定，