移 动 通 信 滤 波 器 技 术 |
| 作者：向勇 谢道华 来源：天津大学电子信息工程学院 发布时间：2005-11-9 0:25:12 |
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[摘 要 ] 本 文 从 现 代 移 动 通 信 技 术 和 材 料 科 学 工 程 相 互 促 进 发 展 的 角 度 ， 综 述 了 固 态 化 无 源 滤 波 器 件 的 产 生 和 发 展 进 程 ， 重 点 讨 论 了 移 动 通 信 用 中 、 高 频 及 微 波 滤 波 器 的 主 要 类 型 、 性 能 特 点 、 以 及 设 计 制 造 与 应 用 概 况 。
[关 键 词 ] 移 动 通 信 ； 介 质 滤 波 器 ； LC滤 波 器 ； SAQ滤 波 器 移 动 通 信 产 业 惊 人 的 成 长 速 度 超 出 人 们 的 想 象 ， 促 进 了 全 固 态 化 滤 波 器 的 飞 速 发 展 。 全 固 态 化 的 无 源 滤 波 器 主 要 包 括 晶 体 滤 波 器 、 陶 瓷 滤 波 器 、 SAW滤 波 器 、 介 质 滤 波 器 等 。 1 新 型 功 能 材 料 促 进 滤 波 器 件 发 展 本 世 纪 30～ 40年 代 ， 随 着 固 体 物 理 学 、 电 介 质 物 理 学 等 学 科 理 论 的 新 进 展 ， 人 们 对 石 英 、 钛 酸 钡 、 钛 酸 铅 、 锆 酸 铅 等 晶 体 材 料 的 压 电 与 铁 电 性 能 的 研 究 与 认 识 水 平 达 到 新 的 深 度 ， 这 就 为 利 用 晶 体 或 多 晶 复 合 体 陶 瓷 材 料 的 压 电 性 制 备 谐 振 器 奠 定 了 理 论 基 础 。 晶 体 谐 振 器 可 等 效 为 L、 C构 成 的 谐 振 器 ， 进 而 组 装 成 为 分 离 元 件 式 的 晶 体 滤 波 器 。 此 后 ， 还 出 现 了 单 晶 体 滤 波 器 (MCF)， 有 效 地 缩 小 了 器 件 的 体 积 。 1985年 英 国 物 现 学 家 瑞 利 发 现 声 表 面 波 (SAW)。 1965年 用 于 激 励 和 检 测 SAW的 叉 指 换 能 器 (IDT)技 术 的 突 破 ， 为 SAW器 件 的 发 展 开 辟 了 道 路 。 早 期 SAW滤 波 器 适 用 频 段 在 10MHz～ 1GHz。 主 要 应 用 对 象 是 广 播 、 电 视 的 中 频 滤 波 ， 在 光 纤 与 微 波 通 信 及 频 谱 分 析 仪 等 高 频 ／ 微 波 领 域 的 应 用 发 展 较 慢 。 随 着 移 动 通 信 产 业 和 技 术 和 迅 猛 发 展 ， 晶 体 滤 波 器 、 陶 瓷 滤 波 器 、 SAW滤 波 器 首 先 在 移 动 通 信 基 站 和 终 端 的 中 频 滤 波 中 得 到 应 用 。 第 二 级 中 频 (465kH)采 用 压 电 陶 瓷 滤 波 器 ， 第 一 级 中 频 (45～ 150MHz)可 采 用 MCF或 SAW滤 波 器 。 受 晶 体 基 片 厚 度 限 制 ， 传 统 MCF的 工 作 频 率 上 限 仅 为 50MHz， 采 用 各 向 异 性 腐 蚀 和 光 刻 技 术 加 工 的 高 频 基 波 (HFF)MCF已 将 频 率 上 限 提 高 到 150MHz。 经 实 验 室 探 讨 提 高 至 300MHz是 可 能 的 ， 并 且 具 有 小 型 化 和 低 插 损 优 势 。 而 SAW滤 波 器 曾 一 度 取 代 MCF， 但 在 300MHz以 下 品 种 的 小 型 化 遇 到 困 难 。 随 着 PHS1900、 PDC1500移 动 电 话 出 现 将 第 一 级 中 频 提 高 至 257～ 400MHz的 新 趋 势 ， 具 有 更 大 机 电 耦 合 系 数 且 温 度 特 性 良 好 的 新 型 晶 体 基 片 材 料 LiB4O7的 开 发 成 功 ， 使 得 中 频 SAW滤 波 器 可 实 现 3 8× 3 8(mm)小 型 化 尺 寸 规 格 。 因 此 ， 在 第 二 级 中 频 应 用 领 域 MCF和 SAW滤 波 器 将 长 期 共 存 。 较 早 开 发 成 功 的 的 高 频 ／ 微 波 滤 波 器 当 数 介 质 滤 波 器 。 它 是 用 微 波 陶 瓷 介 质 按 照 TE01δ 、 TM010、 TEM等 模 式 要 求 制 成 圆 柱 、 圆 环 、 同 轴 等 形 状 的 介 质 谐 振 器 ， 在 按 微 波 网 络 传 输 原 理 用 电 容 集 总 参 数 或 分 布 参 数 耦 合 而 成 。 70年 代 微 波 介 质 材 料 取 得 实 质 性 进 展 ， 美 日 等 国 先 后 研 制 出 BaTi4O9、 Ba2Ti9O20、 (Zr， Sn)TiO4系 中 低 频 (0 8～ 8GHz)微 波 介 质 材 料 用 于 制 造 雷 达 、 导 航 、 微 波 通 信 、 无 线 电 发 身 基 站 的 谐 振 器 、 振 荡 器 、 滤 波 器 等 微 波 器 件 。 80年 代 由 于 卫 星 通 信 与 卫 星 电 视 技 术 的 发 展 促 进 ， 日 本 松 下 公 司 、 日 本 村 田 公 司 、 美 国 贝 尔 实 验 室 、 日 本 东 京 工 业 大 学 等 率 先 开 发 出 Ba(Zn， Nb， Ta)O4、 Ba(Zn， Ta)O4、 Ba(Mg， Ta)O4等 复 合 钙 钛 矿 系 矿 系 微 波 介 质 材 料 ， 使 用 频 率 上 限 高 达 18GHz。 随 着 电 子 对 抗 、 军 用 通 信 与 导 航 等 国 防 军 事 设 施 的 需 求 进 一 步 推 动 微 波 介 质 材 料 和 微 波 器 件 设 计 、 工 艺 的 改 进 与 提 高 ， 使 用 上 述 材 料 已 能 研 制 在 30～ 90GHz使 用 的 毫 米 波 滤 波 器 。 模 拟 制 式 和 早 期 GSM、 PDC蜂 窝 移 动 电 话 的 工 作 频 段 大 多 在 800～ 900MHz。 对 于 微 波 介 质 材 料 的 基 本 要 求 是 具 有 高 介 电 常 数 和 稳 定 的 温 度 特 性 。 具 有 接 近 零 温 度 系 数 ， 介 电 常 数 高 达 70～ 92的 含 稀 土 类 Re2O3－ BaO－ TiO2系 材 料 成 为 主 流 品 种 。 这 是 因 为 微 波 在 介 质 体 内 传 播 的 波 长 λ 与 它 在 自 由 空 间 传 播 波 长 λ O和 介 质 电 常 数 ε r之 间 有 如 下 关 系 ： 。 ε r越 大 ， 谐 振 器 尺 寸 越 小 ， 制 成 的 滤 波 器 体 积 也 就 越 小 。 然 而 ， 尽 管 该 系 统 是 微 波 介 质 材 料 中 介 电 常 数 最 高 的 门 类 之 一 ， 制 成 的 介 质 滤 波 器 性 能 优 良 、 价 格 低 廉 ， 但 在 小 型 化 方 面 仍 不 令 人 满 意 。 例 如 ， 片 式 化 的 2级 和 3级 微 波 介 质 滤 波 器 尺 寸 分 别 为 13.5× 6.6× 4.0(mm)和 13.5× 10.0× 4.0(mm)； 而 将 发 射 和 接 收 介 质 滤 波 器 复 合 一 体 的 E－ TACS制 式 天 线 双 工 器 ， 分 别 采 用 4级 和 5级 介 质 谐 振 器 ， 外 形 尺 寸 达 30 0× 14.0× 4.0(mm)。 相 反 ， 射 频 用 SAW滤 波 器 则 因 其 小 型 化 、 轻 量 化 、 频 率 选 择 性 优 异 也 得 到 飞 速 发 展 。 1989年 第 一 代 片 式 SAW滤 波 器 尺 寸 为 5 0× 5.0(mm)， 此 后 ， 3.8× 3.8(mm)封 装 规 格 已 成 为 主 流 ， 每 只 重 量 0.2g， 大 大 优 于 介 质 谐 振 器 滤 波 器 (约 6g／ 只 )。 与 此 同 时 ， 对 LC滤 波 器 高 频 化 技 术 的 探 索 也 从 未 停 止 。 村 田 公 司 在 1984年 ～ 1989年 先 后 突 破 印 |
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