GHz片式諧振器

1、電子器件項(xiàng)目報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱:4.8GHz片式諧振器的設(shè)計(jì) 學(xué) 院:材料科學(xué)與工程 專業(yè)/班級(jí):12級(jí)電子元器件1班 學(xué)生姓名: 石先玉、唐川、曹淼 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)教師: 丁士華 開始時(shí)間:2015 年 5 月 9 日完成時(shí)間:2015 年 6 月 6 日4.8GHz片式諧振器的設(shè)計(jì)目錄摘要第一章、設(shè)計(jì)原理1.1微波諧振器1.2 微帶線1.2.1 介質(zhì)微帶線1.2.2 微帶線的一些計(jì)算公式1.2.3 微帶線損耗1.2.4 微帶線諧振器簡介第二章、設(shè)計(jì)過程2.1 設(shè)置參數(shù)及計(jì)算2.1.1 近似長度計(jì)算2.1.2 參數(shù)的最終計(jì)算2.2 Sonnet軟件仿真2.3 采用檸檬酸凝膠法制備BaTi409微波

2、介質(zhì)陶瓷2.4 真空鍍膜中心導(dǎo)電帶總結(jié)參考文獻(xiàn)摘要：隨著通信事業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)微波元器件的于小型化提出了越來越高的要求。本項(xiàng)目主要研究設(shè)計(jì)中心頻率為4.8GHz、品質(zhì)因數(shù)大于等于100，尺寸為mm（長寬高）、阻抗匹配為50歐姆的諧振器。采用了能有效減小器件體積的微帶線進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中包括材料的選擇、原理的介紹、數(shù)據(jù)的計(jì)算、對(duì)設(shè)計(jì)出的片式微帶線諧振器進(jìn)行sonnet軟件仿真、用檸檬酸凝膠法制備BaTi409微波介質(zhì)陶瓷以及真空鍍膜中心導(dǎo)電帶。關(guān)鍵詞：諧振器、微帶線、sonnet軟件。第一章、設(shè)計(jì)原理1.1、微波諧振器在微波以下的頻段，采用集中參數(shù)的電感L和電容c來構(gòu)造諧振回路。但當(dāng)頻率升高至

3、微波頻段后，由于趨膚效應(yīng)引起的歐姆損耗、由介質(zhì)引起的介質(zhì)損耗和輻射引起的損耗大大增加，從而明顯降低諧振回路的Q值。并且，由于頻率的增加，使得L和C的數(shù)值大大減少，這一方面減少儲(chǔ)能空間，從而進(jìn)一步降低諧振回路的Q值及功率容量等性能；另一方面，由于L、C太小也使工藝結(jié)構(gòu)上難以實(shí)現(xiàn)。因此，在微波技術(shù)中常采用的是如圖11所示的一些諧振腔(器)： （a）波導(dǎo)型腔 （b）同軸型腔 （c）微帶諧振器 （d）介質(zhì)諧振器圖1-1 微波諧振器1.2 微帶線1.2.1 微帶線簡介微帶線是微波集成電路（MIC)中使用最多的一種傳輸線，隨著MIC的日益的進(jìn)步，微帶電路在微波中的地位也越來越顯著。微帶線課印制在很薄的介質(zhì)

4、基片上（可以薄到1mm以下），故其橫截面尺寸比波導(dǎo)、同軸線要小得多。其縱向尺寸雖和工作波長可以比擬，也可以方便地解決匹配問題。當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片，還可使線上的波長比自由空間波長小了幾倍，同時(shí)整個(gè)微帶元件共用接地板，只須由導(dǎo)體帶條構(gòu)成電路圖形，使整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)集成緊密，由于這些因素，微帶電路較好地解決了小型化問題，與波導(dǎo)、同軸線元件相比，大大地減小了體積、重量，因而使電路的結(jié)構(gòu)和工藝大為簡化。微帶線的結(jié)構(gòu)如圖1-2所示：圖1-2 微帶線幾何參數(shù)1.2.2 微帶線的一些計(jì)算公式在實(shí)際應(yīng)用中，要解決電路匹配問題時(shí)，阻抗特性是一個(gè)重要參量?；瑑?nèi)相對(duì)介質(zhì)的介電常數(shù)為時(shí)微帶線的有效介電常數(shù)

5、：=（）=（）特性阻抗：傳播波長：=1.2.3 微帶線的損耗損耗是傳輸線的重要傳輸特性之一。因?yàn)槲Ь€的結(jié)構(gòu)是不封閉的，所以微帶線上的損耗遠(yuǎn)大于同軸線、波導(dǎo)的損耗，在設(shè)計(jì)微帶線電路的時(shí)候，必須考慮到損耗對(duì)其的影響。微帶線的損耗來自于以下三方面：a、微帶線介質(zhì)損耗:它主要是由于介質(zhì)的漏電特性決定的，假設(shè)微帶線的介質(zhì)損耗為，低損耗的介質(zhì)損耗可以用下式表示：（dB/cm）損耗比較高的介質(zhì)損耗為：（dB/cm）其中是損耗角正切。b、導(dǎo)體損耗:微帶線有著一定的電導(dǎo)率，當(dāng)電流通過導(dǎo)體帶條和接地板的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生熱損耗。由于微帶線的橫截面積很小，所以相對(duì)于波導(dǎo)和同軸線來說，它的散熱很慢，這就造成微帶線的導(dǎo)體

6、損耗很大。這也是微帶線導(dǎo)體損耗的主要部分，假設(shè)微帶線導(dǎo)體損耗為，則有：其中，是導(dǎo)體的電導(dǎo)率。c、輻射損耗：由于微帶線場具有半開放性的結(jié)構(gòu)，所以會(huì)產(chǎn)生輻射損耗。由于h/0.01，所以忽略輻射損耗。1.2.4 微帶線諧振器簡介在微波集成電路中，廣泛使用帶狀線和微帶線諧振器作振蕩回路、濾波器、穩(wěn)頻回路和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等。總之，在微波集成電路中凡需要使用諧振回路的地方，都可以使用帶狀線和微帶線諧振器，以利于集成小型化的微波集成電路。本次設(shè)計(jì)采用的1/4波長一端短路另一端開路的微帶線諧振器如圖所示：圖1-3 一端短路一端開路微帶線諧振器第二章、設(shè)計(jì)過程2.1參數(shù)計(jì)算本次設(shè)計(jì)采用1/4波長一端短路另一端開路

7、的微帶線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的參數(shù)要求如下：中心頻率、尺寸、品質(zhì)因數(shù)、阻抗2.1.1 近似長度計(jì)算自由空間的波長：為方便計(jì)算，設(shè)計(jì)微帶線的中心導(dǎo)電帶寬=1mm，基片高=1mm，所以若中心導(dǎo)電帶長度為4mm（實(shí)際小于4mm），由（mm）得=15.2588又得=23.3247所以，要求>23.3247因此，經(jīng)分析和相關(guān)資料查詢，我們本次設(shè)計(jì)最終選取具有中等的介電常數(shù)、低的介電損耗的BaTi409微波介質(zhì)陶瓷。其中相對(duì)介電常數(shù)=39，損耗。2.1.2 參數(shù)的最終計(jì)算由前面的計(jì)算和分析得：，=39所以：其中，為中心導(dǎo)電帶的長度。銀在室溫下為固體，導(dǎo)電性能優(yōu)越，化學(xué)穩(wěn)定性好，易于成膜，故選擇銀作為中心導(dǎo)帶薄

8、膜材料。銀的導(dǎo)電率為6.17x107s/m。2.2 Sonnet軟件仿真a、打開sonnet，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，單位，設(shè)計(jì)尺寸，建立導(dǎo)電率為6.17x107s/m，厚度為t=0.001mm的Metal1。b、在容器內(nèi)用Toolbox作出長度大致為3.1mm，寬為1.00mm的矩形。雙擊矩形區(qū)域，選擇金屬類型為Metal1。（注意矩形要與邊界相連，因?yàn)榇藭r(shí)軟件默認(rèn)表示接地）。c、用Toolbox作出中心導(dǎo)帶兩旁的電容，選擇相同的Matel1，再添加大小相同的兩個(gè)端口1、2（和中心導(dǎo)電帶形成與外電路的耦合電容，此時(shí)不要求大小，后面調(diào)節(jié)）。大致形狀如下：圖2-1 中心導(dǎo)電帶及兩端口大致形狀d、選擇Cir

9、cuit-Dielectric Layers，設(shè)置基片上面空氣厚度以及基片厚度d、r和損耗，保存。（一般空氣厚度約為基板厚度的3-5倍）然后選擇Analysis-Steup設(shè)置掃描方式及掃描范圍。e、選擇Project-Analyze進(jìn)行分析。按照中心頻率所在的位置調(diào)節(jié)中心導(dǎo)電帶長度，反復(fù)調(diào)試，直到中心頻率在4.8GHz為止。再調(diào)節(jié)兩旁端口與中心導(dǎo)電帶形成的的電容大小，反復(fù)調(diào)試，使DBS12和DBS21越尖銳越好。得到最終的設(shè)計(jì)尺寸（圖2-2）及仿真的曲線（圖2-3）如圖：圖2-2 微帶線諧振器最終設(shè)計(jì)及尺寸圖圖2-3 軟件仿真結(jié)果Q值計(jì)算：圖2-4 仿真Q值分析所得Q值：由仿真結(jié)果，我們的中

10、心頻率=4.8GHz，品質(zhì)因數(shù)=300>100，符合設(shè)計(jì)要求2.3 采用檸檬酸凝膠法制備BaTi409微波介質(zhì)陶瓷a、試劑選擇，鈦酸丁酯Ti(OC4H9)4，純度98、乙酸鋇Ba(CH3COO)2，純度99、檸檬酸(C6H807)、乙酸(CH3COOH)、乙醇(CH3CH20H)為起始材料。b、鈦酸丁酯溶于乙醇，符合化學(xué)式配比(nTi：nBa=4：1)的乙酸鋇在加熱攪拌的條件下溶于乙酸。c、冷卻后，把以上2種溶液混合，并加入檸檬酸的乙醇溶液。檸檬酸與總的金屬離子的摩爾比為l：l?；旌先芤旱膒H值控制在2左右。在攪拌混合的過程中，混合溶液逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。d、凝膠在80干燥，在500750熱

11、處理3h，然后把750處理的粉體于9001200煅燒2 h在1200處理的粉體經(jīng)過球磨、干燥，添加w(PVA)=5的PVA造粒，在100 MPa的壓力下壓成尺寸4x3x1（mm）的厚片，在11501300燒結(jié)4h成為陶瓷基片。2.4 真空鍍膜中心導(dǎo)電帶我們要在陶瓷基片上鍍Ag膜，采用真空蒸發(fā)的方法，即通過加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在固體表面，稱為真空蒸發(fā)鍍膜。具體操作如下：a、以電阻作為加熱源，用難熔金屬如鎢、鉭制成舟箔或絲狀,通以電流,加熱在它上方的或置于坩堝中的蒸發(fā)物，示意圖（圖2-5）如下：圖2-5 真空蒸發(fā)鍍膜示意圖b、將銀置于坩堝內(nèi)或掛在熱絲上作為蒸發(fā)源，然后鈦酸鋇陶瓷基片置于坩堝前方，待系統(tǒng)抽至高真空后，加熱坩堝使其中的銀蒸發(fā)，蒸發(fā)的銀原子以冷凝方式沉積在基片表面，掌握蒸發(fā)速率和時(shí)間，將薄膜厚度控制在0.01mm以下?？偨Y(jié)微波電路及其系統(tǒng)中對(duì)器件高可靠性和小型化有很高的要求，本次設(shè)計(jì)使用了四分之一波長一端短路一端開路的微帶線設(shè)計(jì)尺寸4x3x1（mm）的諧振器，并獲得成功，有效減小了器件體積。并采用檸檬酸凝膠法制備BaTi409微波介質(zhì)陶瓷及真空鍍膜中心導(dǎo)電